电动汽车电池管理系统监测平台的设计

刘蕴红，王 坤

(大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)

电动汽车电池管理系统监测平台的设计

刘蕴红1，王 坤2

(大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)

提出了一种基于CompactRIO的电动汽车电池管理系统的监测平台。采用LabVIEW开发平台，设计良好的人机交换界面，发送启动信号给FPGA芯片，控制各个监测电路，采集单体电池的电压、电流、温度等，实现实时监测电池状态，获取电池状态后进行电池均衡管理、故障报警等，同时通过LabVIEW的Real-Time模块进行分析与处理，预测储能电池的剩余电量，并将各个结果传输到上位机显示。通过测试及分析，结果显示整个系统运行良好、稳定、实时性强。关键词：电动汽车；电池管理系统；CompactRIO；LabVIEW

汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展，同时也极大地方便了人们的生活。动力电池是影响电动汽车整车性能的关键因素，为确保电池性能良好，延长其使用寿命和制定良好的充放电控制策略，管理系统的研发尤为重要[1]。

本系统利用NI公司的CompactRIO-9014进行数据采集，采用LabVIEW软件设计开发电池管理系统监测平台，满足系统所需的测量分析要求。

CompactRIO系统配备了实时处理器和丰富的可重配置的FPGA资源，可脱离PC机独立运行，也可通过以太网接口跟上位机进行通信，适用于高性能的、独立的嵌入式或分布式应用。除此以外，CompactRIO平台具有工业级的坚固和稳定性，它有-40～70℃的操作温度范围，可承受高达50 g的冲击力，CPU时钟频率为400 MHz，同时具备了体积小巧、低功耗和便于携带的优点，适用于车载数据采集领域[2]。

1 系统机构

本系统采用集中/分布式设计的方式，将整个磷酸铁动力锂电池组分为4个部分，每个电池组26节单体电池，每节单体电池的额定电压为3.7 V，电池组的总额定电压为385 V。对每个部分的动力电池组的基本信息，如电压、电流、温度等进行采样，对获得的数据进行处理、判断，并作出相应的控制。

2 电池管理策略

剩余电量预测是电动汽车电池管理系统的主要功能之一，通常用电池的荷电状态(SOC)来表示电池的剩余电量。电池的SOC和很多因素相关(如温度、前一时刻充放电状态、极化效应、电池寿命等)，本系统采用安时法进行剩余电量的预测。

式中：1为充放电时间；η为电流修正系数；为充放电电流。

通过实时监控电池的充放电电流，计算修正后的电流在时域上积分值，与电池组的初始状态相加(设充电电流为正，放电电流为负)，即可得到电池组当前的SOC值[3]。

3 硬件设计

3.1 电池管理系统的核心控制器

系统的核心控制器是NI公司是CompactRIO，其实时控制器、可重配置的FPGA机箱和模块化I/O的选型如图1。

图1 系统的核心控制

根据内嵌的FPGA芯片来设计合适的监测电路，通过NI9041和NI9215分别采集数字量和模拟量，由实时控制器9014来进行实时处理。

3.2 单体电压监测单元

电压信号是动力电池状态的直接体现，电池的电压值可以体现剩余电量的多少、驱动力的大小、电池的老化程度等等。为了得到必要的电池组工作参数来判断工作情况并进行相应控制，需要对动力电池的单体电压值进行实时监测。

本系统中采用差模测量方法设计电压采样电路，集成运算放大器采用LM358。图2为单体电池的电流测量电路。

图2 单体电池的电流测量电路

3.3 单体电流监测单元

电池组供电是由单体电池串联起来完成的，所以各单体电池的放电电流相同，只需要测量一处电流即可。本系统中采用霍尔电流传感器测量单体电流值。霍尔传感器精度高，价格便宜，且属于隔离测量，器件的故障不会影响电池组的正常工作，可靠性高[4]。

3.4 温度测量

温度测量是为了实时准确地监测电池组运行时的温度，系统运用了智能化温度传感器DS18B20测量电池温度，测量范围在-55～125℃，精度可达±0.5℃。传感器一般都安装在电池上，但是为了不引入高压，加入隔离电路，同时也提高了抗干扰能力。图3为温度测量电路。

图3 温度测量电路

3.5 系统保护电路

电动汽车电池组在运行时会产生过充、过放、过温现象，这些现象都会影响电池的运行状态，甚至发生燃烧。当监测系统监控到电池有过电流、过电压或者是过温时，CompactRIO会给保护驱动电路一个信号，从而控制电池管理系统中的MOSFET迅速关断保护电池。图4为系统保护电路。

图4 系统保护电路

4 软件设计

电池管理系统的软件设计主要实现电池信息采样、过流保护、过压保护、过温保护、SOC预测、报警等功能。图5为软件设计的具体流程图。

图5 软件设计的具体流程图

程序开始执行后的初始化，包括FPGA的初始化、模数转换(ADC)的初始化、I/O口的初始化、定时器的初始化等。采集电池电压、电流和温度信号，通过信号判断电池工作是否异常；“是”则启动保护模块，即切断主回路，同时发出报警信号，显示故障，否则继续下一步的流程。根据电流值来判定充放电是否结束，否则执行SOC估算程序，估算电池SOC并显示出来；“是”则表示电池处于搁置状态，保存此刻的SOC估算值作为程序的下一次SOC估算的初始值，并同时返回进入循环监测过程。

采用NI公司的LabVIEW作为电池管理系统的软件开发平台，既能方便地实现监测所需的功能，又能使软件设计更直观，便捷。上位机程序主要分为以下几个部分：

(1)数据采集：LabVIEW FPGA模块会在硬件中执行设计的逻辑算法，通过NI9041和NI9215采集单体电压值、电流值以及温度值，随后将采集到的数据传输至LabVIEW RT模块；

(2)数据分析与传输：LabVIEW RT模块对实时数据进行浮点运算操作，LabVIEW RT模块提供的共享变量技术有助于将数据快速、准确地传输到上位机；

(3)数据存储：在电池管理系统中，除了数据采集以及处理、显示之外，还需要将采集到的数据存储到磁盘上，用于做后续离线处理或是作为数据日志。另外，在估算SOC值时，我们会将事先存储好的数据文件加载到数据采集系统中，进行后面的计算。

电池管理系统的人机交换界面如图6所示。

图6 电池管理系统的人机交换界面

5 结论

该电池管理系统以CompactRIO作为控制核心，FPGA芯片作为监测模块的核心器件，cRIO-9014作为实时处理器，NI9041和NI9215分别采集数字量和模拟量。系统充分利用了LabVIEW的强大功能，LabVIEW FPGA模块、LabVIEW RT模块的完美结合成功地采集到单体电压值、电流值以及温度值，并迅速、准确地进行处理，传输到上位机界面进行显示。整个系统结构简单、设置灵活、可靠性高、运行稳定。

[1]张丹明，周彦.动力锂电池管理系统的设计及SOC的估算[J].湖北工业大学学报，2013(1):67-70.

[2]王丁丁，武杰，张杰，等.基于CompactRIO的数据采集模块设计[J].核技术，2012(7):539-542.

[3]张永杰.纯电动汽车动力型锂电池管理系统的研究与设计[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[4]刘新蕊.电动汽车动力电池组管理系统研究[D].大连：大连理工大学，2010.

Design of electric vehicle’s battery management system monitoring platform

A kind of platform,which used to detect Electric vehicle battery management system,was proposed.The platform was based on CompactRIO,LabVIEW development platform was utilized,and a friendly interface was designed to realize human-computer exchange.A starting signal could be sent to FPGA chip by the platform,every detecting circuit could be controlled,and every battery's voltage,current and temperature could be collected.Also the status of batteries could be monitored,then the status was used to manage the balance of batteries or alarm.At the same time,the platform could analyze and process through the Real-Time module,predict the remaining power of storage battery and send the results to PC to display.Through the detecting and analyzing,the whole system runs well and stably.It had ability of strong real-time.

electric vehicle;battery management system;CompactRIO;LabVIEW

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2203-03

2015-03-12

刘蕴红(1967—)，女，吉林省人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为楼宇自动化技术，远程控制。