基于LabVIEW的电池管理系统监控平台开发.pdf

第 4期 2 0 1 0年 8月 微处理机 MI CR0PR0CE S S ORS N o 4 Au g ，2 0 1 0 基于 L a b V I E W 的电池管理系统监控平 台开发 刘忠其，姜久春，王 占国 (北京交通大学电气工程学院，北京 1 0 0 0 4 4)摘 要：监控平 台利用 L a b V I E W 与周立功 U S B C A NI I的结合来实现对 电池系统运行数据进 行采集、显示、存储，以及对 电池管理系统进行标定和故障诊断，起到对动力电池系统进行监测和控 制的作用；监控平台为采集、显示及存储等功能提供 了灵活的接 口，既适应电池管理系统的扩展，又 方便对数据的分析和对电池管理 系统的维护。关键词：虚拟仪器；C A N总线；电池管理；多线程 D O I 编 码：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 22 2 7 9 2 0 1 0 0 4 0 3 4 中图分类号：T P 2 9 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 2 2 2 7 9(2 0 1 0)0 4 0 1 1 1 0 4 De v e lo p me n t o f Mo n it o r in g PIa t f Or m o f B a t t e r y Ma n a g e me n t Sy s t e m B a s e d o n L a b Vl E W L I U Z h o n gq i，J I ANG J i uc h u n，WA NG Z h a ng u o (S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g，B e r i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y，B e ij i n g 1 0 0 0 4 4，C h i n a)Abs t r a c t：W i t h L a b VI EW a n d ZLG USBCAN I I i n c o mb i n a t i o n，Mo ni t o r i ng p l a tfo r m c o mpl e t e s the da t a o f ba t t e r y ma na g e me nt s y s t e m a c q ui s i t i o n，di s p l a y i ng a n d s t o ring，t h e p a r a me t e r s o f ba t t e r y ma n a g e me ri t s y s t e m c ali b r a t i o n a n d f a u l t d i a g n o s i s，t o p l a y the r o l e t h a t mo n i t o r s a n d c o n t r o l s the p o w e r b a t t e ry s y s t e m T h e mo n i t o ri n g p l a tf o rm p r o v i d e s a fl e x i b l e i n t e r f a c e f o r t h e a c q u i s i t i o n，d i s p l a y i n g a n d s t o ri n g f e a t u r e s，b o t h t o a d a p t t o e x p a n s i o n o f b a t t e ry ma n a g e me n t s y s t e m，b u t a l s o f a c i l i t a t e s t h e a n a l y s i s o f t h e d a t a an d ma i n t e n an c e o f the b a t t e r y ma n a g e me n t s y s t e m Ke y wor ds：L a b VI EW；CAN；Ba t t e r y ma na g e me nt；Mu l t i thr e a d i n g 1 引 言 动力电池集成作为电动汽车核心技术之一对电 动汽车运行的性能有着决定性的作用，为保证动力 电池安全且高效的应用，需要对其运行状态进行实 时在线的监测并同时对其进 行控制，电池管理系统 在动力电池与整车控制之间起到了这样关键的桥梁 作用。为保证电池管理系统为电动汽车提供准确可 靠 的动力电池信息并对 电池 进行 可靠 的管理，需要 对电池管理系统自身运行的各项功能进行实时的监 测，以及对电池运行数据进行采集分析，同时在动力 电池系统 出现故障时需要对 其进行诊 断，基于 L a b V I E W 的电池管理系统监控平 台即是 为实现上述需 求而开发设计。L a b V I E W(L a b o r a t o ry V i r t u a l I n s t r u m e n t a t i o n E n g i n e e r i n g Wo r k b e n c h，实验室虚拟仪器工程平 台)是 由美国 N a t i o n a l I n s t r u me n t s(简称 N t)所开发的图 形化软件开发环境。该开发环境把工业测量与控制 和计算机完美结合在一起，其 图形化 的界面使得编 程就像操作仪器面板或画电路板一样简易直观、易 于理解。但为了开发可靠、高效、灵活的电池管理系 统监控平台，需要对其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。监控平台 就利用 了 L a b V I E W 的 D L L(d y n a mi c l i n k l i b r a ry，动 态链接库)、多线程，数据记录、运行控制等技术。2 平 台结构 监控平台是基于电池管理系统设计，其主要由 硬件部分 和软件部分组成。硬件 主要实现 P C与电 池管理系统之间的通信，因电池管理系统对外通信 主要采用 C A N(C o n t r o l l e r A r e a N e tw o r k，控制器局域 网)，而 P C端接口多为 U S B(U n i v e r s a l S e ri a l B u s，通 堂 简 佥：刘 忠 其(1 9 8 6 一)，男，贵 州 毕 节 人，硕 士 研究 生 在 读，主 研方 向：电 动 汽 车 电 池管 理系 统。收 稿IE I 期：2 0 1 0 0 4 2 7 l l 2 微处理机 2 0 1 0年 用串行总线)。C A N总线 由德国 B o s c h公司最先提 出，是国际上应用最广泛的现场总线之一，其具有高 位速率、高抗电磁干扰性，而且能够检测出总线的任 何错误；U S B是一种支持即插即用的新型串行接 口，已广泛用于 P C的对外接 口。解决 C A N与 U S B之 间的转换就解决 了电池管理系统与 P c的通信，利 用周立功 U S B C A NI I 的智能 C A N接 口卡，可以很 方便的实现这一功 能，监控平 台硬件正是以 P C为 主体，连接 C A N接 口卡，通过 C A N总线连接电池管 理系统组成。周立功智能 C A N卡配备了 P C端 的驱 动程序，同时为 P C端应用程序提供了接 口函数，采 用 L a b V I E W 开发环境 中的动态链接库技术可很好 的操作周立功智能 C A N接口卡，实现与电池管理系 统的通信。由图 1可见，系统硬件实现了监控平 台与电池 管理系统之间数据的透明传输，周立功智能 C A N接 口卡起到了很好 的桥梁作用，其上 自带的光 电隔离 模块使 U S B C A N-I I 接 口卡避免由于地环流造成的 损坏，增强系统在恶劣环境 中使用 的可靠性。所以 监控平 台有很好 的硬件支持，设计的主要工作是监 控平台的 L a b V I E W 实现。针对电池管理系统数据采集、参数标定、故障诊 断及对电池数据分析的要求，监控平台软件 的结构 3 软件设计 应该包含信息显示、系统标定、故障诊断、数据存储 及平台配置等模块(见图 2)。其中信息显示功能提 供 了直观的动力 电池信息，包括单体 电压、总电压、电流、温度、S O C及故障状态等；系统标定功能为电 池管理系统 的参数设定、状态修订提供 了便捷的操 作；故障诊断功能主要针对动力电池系统的维护；数 据存储功能为进一步的对电池性能的分析及对电池 管理系统的功能验证提供很好 的数据支持；平 台配 置功能是实现监控平 台接 口灵活、界面友好、操作简 便的关键。基于 L a b V I E W 的软件设计主要针对这 几个 方面 进行。图 1 控 台结构 图 图2 监控平台功能模块 采用 N I 公司的 L a b V I E W8 2作为监控平台软件 的开发平台，既能很方便的实现监控平台需要的功 能，又能使软件设计变得直观、快捷，同时软件兼具有 灵活性、可扩展性、可维护性、代码重用性和可读性。为实现上述监控平台的各个功能，同时保证平 台高效的性能，软件设计应用 了 L a b V I E W 的多线程 技术。所谓线程(t h r e a d)是指 由进程进一步派生出 来 的一组代码(指令组)的运 行过程。多线程技术 可 以使同一个程序有几个并行运行的路径，从而提 高程序的运行速度，线程所 占用 的系统资源比进程 要小。在一个程序 中，线程并不是越多越好，也并不 是越多程序执行得越快。针对计算机的 C P U只有 一个的情况，当一个线程在执行的时候，其它的线程 就处于挂起或者阻塞状态，那 么程序使用 内存 的效 率就会很低。针对监控平 台的功能，要求同时考虑 平 台的高效 运 行，软 件设 计 了四个线程，即通 过 C A N总线的数据采集与显示；平台参数配置；数据 存储；系统标定和故障诊断。4期 刘忠其等：基于 L a b V I E W 的电池管理系统监控平台开发 1 l 3 3 1 数 据 采集及 显 示 平 台采用 了 U S B C A NI I 智能 C A N接 口卡连 接 P c与 电池 管理 系 统，实 时 接 收 电池 管理 系统 C A N总线 的数据 并进 行显 示。U S B C A NI I智 能 C A N接 口卡为应用程序 提供 了可调 用的动态链接 库，利 用 L a b V I E W 中 的 调 用 库 函 数 节 点(C a l l L i b r a r y F u n c t i o n，简 称 C L F)可实 现 对 U S B C A NI I 智能 C A N接 口卡 的灵 活操作，应 用 C L F需要对其 进行配置，配置主要根据 接 口函数设定调用规范为 s t d c a ll(WI N A P I)，同时根据函数参数设定 C L F的参 数。最终设置好 的 C L F为编程提供 了便捷的接 口，也为平 台参数配置功能提供 了方便，通过设备类 型 号和设备索 引号可灵 活在 U S B C A NI I 智 能 C A N 卡的 C O M1和 C O M2之间进行选择。按类似 的设置 规则配置好 U S B C A NI I的其他接 口函数 的调用，可对 U S B C A N I I 智能 C A N进行灵活的操作。根据 U S B C A NI I 操 作要求，数据采集流程如 图 3。为 了操 作 方 便，接 收数 据 被 封装 成 子 V I。L a b V I E W 中的子 V I 类似于 C语言 中的子 函数，可 以被其他 V I 调用。数据接收子 V I 也为平台参数配 置提供 了配置接 口，接收 到 的数 据被 打包成 L a b V I E W 中的簇变量，簇 是 L a b V I E W 中的一种数据类 型，它可 以包含 多个不 同数据类型 的元 素，类似 C 语言中的结构体。数据的打包方便了对接收到的数 据进行显示与存储。数据接收采用循环接收模式，直至收到停止接收命令。图 3 数 据米集流程 现有电池管理系统 向 C A N总线发送 的数据有 数据进行显示与存储，以方便对 电池状态进行实时 单体电压，总电压，电流，S O C，S O H，温度，最高和最 监控，对电池数据进行深入分析，同时根据故障信息 低单体电压，最大和最小温度等，其 中各从板负责单 对电池进行维护。利用 L a b V 1 E W 设计友好 的显示 体 电压和温度的测量，每个从板有 电压 6 0个，温度 界面，将上述信息按从板号设 置不 同的选项卡进行 1 6个，及故障信息 等，总共 4个从板。需要对这些 显示，如图 4所示。畚 ：篙。”圜-1函 I l I l ll 嘉动 硇 圃 图 4 显示 界面 3 2 平台参数配置 利用 L a b V I E w 多线程技术专为平 台参数配置 分配一个线程，对监控平 台参数进行设置。监控平 台参数可分为 以下几类：U S B C A NI I 智能 C A N卡 配置，包括 C A N通道选择、C A N通信波特率等；显 示配置，含从板数，从板电压节数，从板温度个数等；数据存储配置，含存储的周期、位置、格式等；系统标 定和故障诊断配置，含标定的参数类型、位置及故障 诊断的故障类型等。L a b V I E W是一种数据流的程序开发平台，由数 据流决定程序中节点的执行顺序。事件驱动扩展了 数据流编程 的功 能，允许用户在前 面板的直接 干预 l 1 4 微处理机 2 0 1 0拄 或程序不 同部分之问的交流影响程序 的执行。平台 参数配置采用了事件结构，很好 的在异步情况下对 不同线程之间的参数进行修改和设置，当没有事件 产生时，程序 回到等待事件状态，减小了对其他线程 执行的影响。3 3数据 的存 储 在 L a b V I E W 中常用 的记录数据 的方法有利用 数据库技术存储数据和利用文件系统存储数据。使 用文件系统管理数据文件读写速度快、占用磁盘空 间少、检索方便快捷。本 监控平 台将存储 的文件格 式默认设为 C S V 格式，其 占用磁盘空间小，同时这种 格式可以在 E x c e l 中进行查 看，也可 以导入 M a t l a b 中进行分析，这特别有利于对电池性能进行研究。-为数据存 储建立独立 的线程，方便 了编程的实 现，但需要解决数据同步的问题，即数据采集与数据 存储两个线程之 间的流程控制。在 L a b V I E W 中不 同循环间传递数据可采用局部变量，但是在数据采 集循环与数据存储循环之问传递数据的话，局部变 量就不太够用了。因为数据保存到硬盘上是一项 比 较费时的工作，而数据采集对循环时间要求较高，两 者的循环快慢不一样，此时，就不能简单 的通过局部 变量来进行数据传递。在数据采集循环与数据存储 循环之间，采用 L a b V I E W 中消息通知器进行数据同 步传递。本监控平台在数据采集 中将数据打包成簇 类型，通过消息通知器传递数据并进行储存。3 4 系统标定和故障诊断 为保证动力电池 系统的安全运行，需要对电池 管理系统 的各个参数进行标定，以保证 电池管理系 统所检测信息的可靠性，确保 电池管理系统对 电池 的正确管理。当动力电池系统 出现故 障时，仅仅依 靠监控电池参数来诊断故障是不够 的，还需要对 电 池管理系统自身的运行参数进行诊断，这些参数包 括电池管理系统配置参数、软硬件信息、软硬件工作 状态 等；电池 管理 系统 有 自检功 能，通过 可靠的 C A N总线可 以实 现对这 些功能 的触发，最终通过 C A N总线返回信息，尽可能定位故障点。监控平台 的另一功能就是要实现对电池管理系统的标定及在 电池系统有故障时进行故障诊断，为实现此功能需 要通过 C A N总线与 电池管理系统进行交互，U S B C A N I I 中提供了向 C A N总线发送信息接口函数，类似于接收函数，利用 L a b V I E W 设计发送子 V I，同 时建立系统标定和故障诊断线程调用发送和接收子 V I，实现与电池管理系统 的交互。4 结 束 语 本监控平台充分借助 L a b V I E W 的多线程及其 灵活的接 口技术，实现了对 C A N总线的高速数据采 集和多种格式文件的实时数据记录，并且监控平台 设计灵活，能适应电池管理系统多种组合方案，同时 监控平台的系统标定及故障诊断为电池管理系统的 量产打下很好 的技术基础。该监控平 台已用于普 天、恒通、吉利等 多种 电动汽车用铁锂 电池管理 系 统。在一年多的时间 内，运行可靠、稳定，既为用户 及时提供了实时的采集数据，又为开发人员提供方 便的诊断接 口，为近一步研究 电池管理和分析铁锂 电池的性能提供了有力的保证。参考文献：1 陈锡辉，张银鸿 L a b V I E W 8 2 0程序设计从入门到精 通 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 7 2 孙同景，陈桂友 F r e e s c a l e 9 S 1 2十六位单片机原理及 嵌入式开发技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 8 3 雷振山，魏丽，赵晨光，汤小娇 L a b V I E W高级编程与 虚拟仪器工程应用 M 北京：中国铁道出版社，2 0 o 9 (上接第 1 1 0页)此外，在移动客户端，由于用户需要访问本地移动设 备资源，例如查看保存在本地的商 品信息；也需要访 问远程 J 2 E E服务器端，例如订购商 品，因此，控制 器在处理视图切换的同时还需处理与模型层复杂的 交互。为了简化控制器的操作，在模型层设计 中采 用 F a c a d e 模式。同时，采用 L C D U I 高级 A P I 构建高 度交互的用户界面，保证了应用程序具有 良好的可 移植性。5 结 束 语 移动电子商务作为一种新型的电子商务方式，利用了移动无线 网络的优点，是对传统电子商务的 有益补充。尽管目前移动电子商务的开展还存在安 全与带宽等很多问题，但是相比于传统的电子商务 方式，移动电子商务具有诸多优势，拥有更为广泛的 用户基础，因此它具有更为广阔的市场前景。参考文献：1 孟文生，王红 基于 J 2 ME的移动电子商务研究 计算 机技术与发展 J 2 0 0 6(5)：2 2 9 2 3 1 2 胡桂珍，廖革元 基于 J 2 ME的移动电子商务系统 商 场现代化 J 2 0 0 8(3)：1 6 6 3 任晓尘，孙涌 基于 J 2 M E J 2 E E移动预约挂号系统的 设计与实现 J 计算机技术与发展，2 0 0 6(1 2)：1 9 3 1 9 5 4 D e e p a k A l u r，J o h n C r u p i，D a n Ma l k s J 2 E E核 心模 式 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5