电池系统下线检测平台研究

吴冠辰

摘要：针对电池系统在传统测试过程中采样速度慢、成本高、极限测试困难、数据分析能力弱的缺点，设计一种电池系统下线检测平台。该平台利用LABVIEW软件和NI硬件，将实际电池系统硬件平台与电池系统下线检测平台连接组成一个闭环系统，在闭环系统中快速验证电池系统的硬件功能与软件性能。

关键词：电池系统；验证信号；CAN通信；离线测试

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）23-0265-02

现代电动汽车作为21 世纪极具发展潜力的绿色产业，在节能和环保方面的显著优势已引起了人们的广泛关注，而新能源汽车性能的关键则是电池系统，直接影响整车的动力系统性能[1，2]。因此，要知道电池系统的功能是否符合实际要求，必须对其所具有功能进行下线检测，从而及时发现电池系统的缺陷，避免整车运行时发生事故。虚拟仪器是现代计算机技术与仪器技术及其他新技术相结合的产物，代表产品为NI仪器公司的LabVIEW，在有限的硬件资源情况下，结合虚拟仪器技术开发的测试系统，可以灵活定制符合多种电动汽车试验要求的各种测试方案，充分解决当前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱的缺点[3，4]。本文提出的电池系统下线检测平台采用NI公司的LabVIEW软件与硬件设备进行搭建，通过模拟产生各种验证信号，对电池系统所具有的功能、控制策略及可靠性进行测试。

1 系统架构及工作原理

通过对车用动力电池系统结构组成及相关性能进行分析，其所具有的电池参数采集、电池状态估计、故障诊断与报警、电池一致性补偿、热管理、电池充放电管理功能均需进行下线检测。检测平台采用硬件在环检测方法（HIL）实现对电池系统软硬件的功能测试，其整个系统架构如下图1所示[5]。即利用相关软件和硬件，将实际的电池系统硬件平台与电池系统下线检测平台连接组成一个闭环系统，在闭环系统中检验电池系统的功能。该下线平台由四个部分组成：1）CAN通信模块；2）信号产生/采样模块；3）信号调理模块；4）人机交互平台。下线检测平台首先通过信号产生/采样模块产生各种验证信号，然后信号调理模块对产生的验证信号进行处理，实现与电池总成对接，最后电池系统以CAN通信方式向下线检测平台反馈工作任务结果。通过比较此时电池系统输出结果与下线检测平台输入指令，快速验证电池系统的硬件功能与软件性能。

2 系统硬件设计

为实现对电池系统所具有的功能进行离线测试，对下线检测平台的硬件结构进行了设计，由电源模块、PWM波生成模块、电压生成模块、电压采集模块、CAN终端电阻采集模块、温度采集模块、CAN通讯模块、绝缘电阻检测模块、充放电设备、信号调理模块和实时硬件模块等组成。

其中电源模块采用安捷伦可编程电源，用于给电池系统提供工作电源；PWM波生成模块、电压生成模块、电压采集模块、CAN终端电阻采集模块、温度采集模块和CAN通讯模块均选择NI公司数采板卡与CAN通讯设备，用于提供检测电池系统所需输出信号、采集信号和CAN通信通道；绝缘检测模块采用常见的绝缘电阻测试仪，用于检测电池系统中绝缘电阻值；充放电设备选择ARBIN-2000，用于对电池系统进行充放电实验；实时硬件模块选择一台台式PC机，用于装载下线检测平台软件系统，实现人机交换平台。信号调理模块为自行开发设备，用于对信号进行调理及接口转换，如相关检测电路通过继电器驱动导通、模拟电阻信号等。

3 软件平台搭建

下线检测平台软件由LabVIEW编写，采用模块化编程，以便于后期需要进行系统扩展。软件整体结构如图2所示，由系统层、表示层、应用层和数据层四部分组成。

3.1 系统层

软件结构中系统层为下线检测平台所使用相关设备的底层驱动，其中NI数据采集板卡在LABVIEW软件中已提供了驱动模块；CAN 通信设备在LABVIEW中也有相对应的驱动模块；可编程电源，可从NI官网下载相对应的第三方驱动使用；绝缘电阻检测设备，在LABVIEW中并无驱动可用，但其具有串行通信接口，可通过串口指令来驱动设备。

3.2 表示层

表示层为测试系统操作/监控界面，实现使用者对整个软件的操作，并且对下线检测的数据进行监控和显示。人机交互主界面程序采用队列状态机-生产消费者模式，并行的方式进行多个循环，一个循环产生界面事件（生产者），另一个循环对产生的事件进行处理（消费者），两者互相通信并互不干涉。由此就可通过响应事件实现代码的异步执行，并且不影响用户界面的响应速度，避免造成事件堆积等问题。其程序框图如图3所示。

3.3 数据层

数据层主要有XML文本、TDMS文本、Access数据库三部分，XML文本用于存储配置参数，TDMS文本用于存储数据采集与CAN报文最原始数据，Access 数据库用于存储测试报表。

3.4 应用层

应用层为下线检测平台的核心内容，实现对硬件设备的控制，以及实现软硬件之间的数据交换，并对数据的处理、存储和检测结论进行判定。其功能主要劃分为3部分，分别为参数配置、功能验证、报表查看：

1）参数配置

主要实现对电池系统检测项目的信息配置。包括检测项目条数可选择，检测项目判定标准可配置，检测项目CAN协议中相关数据的位置可配置，检测项目所需文件可配置（如A2L文件、充放电工况文件、DBC文件等）。完成参数配置后，所有数据存储入XML文件中。

2）功能验证

功能验证即对电池系统功能进行下线检测。检测项目程序分别放置于对应状态分支程序中，对于每项检测项目的功能验证，其遵循的检测流程分为6个步骤。第一步，将其对应指示灯设置为闪烁状态；第二步，根据信号调理板电路，切换相关继电器，使检测电路导通；第三步，通过信号发生、数据采集、CAN通信得到检测原始数据，同时将数据存储入TDMS文件中；第四步，由数据处理模块将检测得到的数据与参数配置文件解析出来的判定标准进行比较，得出各项检测项目是否通过检测，同时将得到的相关结论存储入Access数据库中；第五步，根据结论设置指示灯颜色；第六步，切换继电器状态至初始断开状态，避免当前状态影响下一项测试。检测项目检测流程图如图4所示。

3）报表查看

报表查看模块主要实现对历史测试数据与结论进行查询，并可将Access数据库中相关测试数据实现报表打印与导出成WORD文档功能。

4 测试结果

电池系统下线检测平台系统开发完成后，对国内多台车用电池系统性能进行了测试。通过对比下线检测平台报表数据与人工检测数据，本下线检测平台所有检测数据均与人工检测数据相近，验证了本下线检测平台系统的有效性和可靠性。

5 结语

本文通过对电动汽车电池系统所具有的功能进行分析，建立电池系统下线检测平台，设计开发了基于虚拟仪器技术的测试系统软件。具有测量精度高、自动化程度高及扩展性强等特点。通过与实际电池系统进行现场联调，证明了该下线检测平台能较全面地测试电池系统的各项性能指标，并直观地显示测试过程中的数据与结论。该测试平台的开发能有效地缩短测试周期，节约测试成本，优化测试环境。

参考文献：

[1] 李珂，张承慧，崔纳新.电动汽车用高效回馈制动控制策略[J].电机与控制学报. 2008，（3）：324-325

[2] 方杰，王英，谢先宇，等.新能源汽车动力电池系统测试评价体系[J].上海汽车，2013（9）：11-15.

[3] Xiang Xuejun， Xia Ping， Yang Sheng， Liu Ping. Real-time Digital Simulation of Control System with LabVIEW Simulation Interface Toolkit[C]. Proceedings of the 26th Chinese Control Conference，2007：318-322.

[4] 宋强，王再宙，王志福，等.基于虚拟仪器的电动汽车牵引电机性能测试系统[J]. 仪器仪表学报，2007，（11）：2019-2020.

[5] 叶子.基于LabVIEW的纯电动客车整车控制器测试系统研究与开发[D].吉林大学，2012.

【通联编辑：张薇】