基于LabVIEW的电动汽车电池监测预警系统
马伟;张洪浩;董鹏举
【摘 要】The battery is the core part of electric vehicles, and the effective management and use of battery power and the improvement of battery life is a key to the development of electric vehicles.A battery hardware plat-form based on STC89C52 is built for the collection of the single cell voltage, current, temperature and other basic information with improved A/D conversion, serial port communication and thermo sensor control.The PC data pro-cessing platform is built using LabVIEW for the study of pure electric vehicle battery real-time monitoring and early warning system, providing functions such as the battery measurements, power estimates and fault alarm as well as ef-fective battery management and control.The system works stably with good battery performance, laying the theoreti-cal foundation for the future development of battery performance optimization.%车载电池作为电动汽车的核心部件，如何有效的管理和利用蓄电池的能量，增加电池的使用寿命成为关键问题。文中介绍了一种基于STC89C52的蓄电池信息采集硬件平台，通过对A／D转换、串口通信、温度传感器控
制等部分的完善，开发了完整的硬件数据采集系统，实现了对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能，运用LabVIEW搭建上位机数据处理平台，对适用于纯电动汽车的电池实时监测预警系统的研究，实现了电池基本信息测量、电量估计、故障报警等功能，以及对电池组进行合理有效的管理和控制，该系统工作中运行稳定，在实际应用中具有良好的参考价值。
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2015(000)009
【总页数】5页(P115-119)
【关键词】STC89C52单片机;纯电动汽车;电池监测预警;LabVIEW
【作 者】马伟;张洪浩;董鹏举
【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255000;东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150000;北汽福田山东多功能汽车厂，山东潍坊 261061
【正文语种】中 文
【中图分类】U491.1
能源枯竭和环境破坏的矛盾日益突出,基于电动汽车的节能和环保性,电动汽车的发展已成为必然趋势。车载电池是电动汽车的核心部位,而电池管理系统研究的关键是如何有效利用蓄电池的能量,增加电池的使用寿命。电池管理系统能够估计出剩余电量SOC,确保SOC在合理的工作范围,又可以对故障电池进行早期预测,避免由于单体电池的破坏不能及时发现而降低整组电池的使用寿命。因此,电池能量管理系统(BMS)的研究越来越受到人们重视。
宋雪桦
[1]等设计了适用混合电动汽车上动态均衡式的电池管理系统(BMS),优化了SOC估算,满足了系统估算5%以内的误差要求,实验最终结果误差为3.3%;王波
[2]等基于LTC6803电池管理系统的电压采集滤波、温度采集扩展、电压均衡、SPI 通讯等外围电路的设计方法,最大限度地减少了外围器件的使用;张华辉等基于DSP的锂离子电池管理系统,实现单体电池电压、总电压、电流、温度的检测,具有SOC估算、通讯、计算机
监测等功能。
本文运用基于STC89C52的蓄电池信息采集硬件平台,实现对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能,在LabVIEW中搭建上位机数据处理平台,对适用于纯电动汽车的电池实时监测预警系统进行研究,实现了电池基本信息测量(电压、电流、温度)、电量估计、故障报警等功能。
电池监测预警系统需具备监测电池工作状态的功能,包括电池的电压、电流和温度,并在其超出工作范围时进行报警,最大限度发挥电池的功效。
监控平台是基于电池管理系统设计,包括硬件和软件两个部分。硬件部分是基于STC89C52蓄电池的信息采集硬件平台,对单体电池的电压、电流、温度等基本信息进行采集。软件部分是运用LabVIEW实现电池基本信息测量、电量估计、故障报警等功能。
目前,市面上成型的电池监测预警系统主要包括集中型、分散型和集成型3种。该研究采用以STC89C52单片机为处理芯片的下位机,对单体锂离子电池的基本信息进行采集和上传,而在
上位机基于LabVIEW搭建监测预警平台,进行实时数据的显示和报警。
电池监测预警系统的主要功能是实时监测锂离子电池的运行状况,并将其反馈到上位机进行显示和处理。该研究以单体磷酸铁锂电池为例进行运行测试。
电压的监测:单体磷酸铁锂电池的正常工作电压范围是2～3.7 V,若不在这一区间,系统将自动报警。
电流的监测:放电电流的大小对于电动汽车的安全工作至关重要,若超过正常工作范围,将可能引起电池组起火甚至爆炸。
温度的监测:单体磷酸铁锂电池的正常工作温度是-20～50 ℃,若超出范围,平台将自动指示报警。
下位机与PC机的通信方式通常有并行和串行两种方式。在现代单片机测控系统的设计实现中,信息的交互通常采用串行通信方式。其中,串行通信又包含异步串行通信和同步串行通信两种方式
[3]。异步串行通信方式中,通信的发送与接收设备使用各自时钟控制数据的发送和接收过程,因为这种方式不要求收发双方时钟的严格一致,实现起来相对简单,设备开销较小。因此,本研究使用的通信方式为异步串行通信方式。
目前,最常用的串行接口标准是美国电子工业协会(EIA)所制定的异步串行通信标准RS-232,它可以实现单片机与PC机的数据通信,其通信原理电路图如图1所示。
由于单片机使用TTL电平,而RS-232使用的是RS-232电平,为保证通信稳定性,该论文使用电平转换芯片MAX232,同时集成RS-232电平和TTL电平之间的互转
[4]。电路原理图如图2所示。
山东电动汽车硬件部分使用STC89C52蓄电池信息采集硬件平台,实现对单体电池电压、电流、温度等基本信息的采集功能。单体磷酸铁锂电池的电压、电流、温度采集的硬件部分结构如图3所示。
在A/D转换芯片中,采集到的模拟信号在时间上是连续的,而发送给单片机的数字信号是离散的。因此,A/D芯片必须在规定的时间点上对采集到的模拟信号进行采样,并将采样数值转换成数字量发送给单片机。
A/D转换分为3个阶段:采样保持、量化和编码。为提高数据转化效率,需采用逐次比较型的A/D转换芯片,通过数次与不同的参考电压进行比较,获取差距最小的电压值,即转换的输出值,原理如图4所示。
在采集电压和电流方面,该研究采用ADC0804芯片,该芯片属于集成逐次比较型A/D转换芯片。
ADC0804引脚和功能参见文献[5]。该研究中ADC0804芯片外围电路与单片机的连接原理如图5所示。
(2)WR、RD分别接单片机的
P
3.6和
P
3.7引脚,数字输出端接
P
1口。
温度采集实现电路采用DS18B20温度传感器。该装置采用单总线协议,仅占用一个I/O端口,直接将外界温度转化成数字信号,串行输出。DS18B20介绍参见文献[6],测量实现电路如图6所示。
在电路连接方面,将DS18B20与STC89C51相连进行通信。在实际应用中,通常采用多点采集对电池温度进行测量时,故需将所有传感器的I/O口连接在一起,在程序编写时,通过传感器内部芯片序列号识别,进行多点扩展,设计多通道的温度采集硬件系统。
LabVIEW是美国NI(National Instruments)推出的一种程序开发环境,开创G语言——一种用图
标代替文本行创建应用程序的图形化编程的语言,使用更为方便直观。该图形化程序编译平台具有多种功能包括:DLL(Dynamic Link Library)、多线程、数据记录、运行控制等,可对程序设计进行深入的原理分析、细化的结构设计及灵活的接口实现,确保电池监测预警监控平台的高效性与稳定性
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