郁俊伟 李旭东 赵奉奎

摘  要：动力电池是电动汽车的核心部件，其性能好坏直接影响到电动汽车整车的性能。动力电池特性的测试，对于电池管理具有重要的意义。本文设计了基于LabVIEW的电动汽车动力电池测试系统，设计了上位机软件操作界面和通信接口，通过VISA控制GPIB与直流电源、数据采集单元和电子负载通信。实验表明该系统能够实现电池倍率特性、功率特性和脉冲功率特性等的测量。

关键词：LabVIEW;动力电池测试系统;充放电特性

中图分类号：TP311     文献标识码：A

Abstract： Power battery， the core component of electric vehicles， directly determines overall performance of electric vehicles. It is very significant for battery management to test the performance of battery. A power battery test system is designed based on LabVIEW in this paper. User interface communication were designed. GPIB （General-Purpose Interface Bus） controlled by VISA （Virtual Instrument Software Architecture） was employed to communicate between the software and the instruments， such as DC source， data acquisition unit and electrical load. The result of the experiment shows that the proposed system is capable of testing discharge rate， power-efficient characteristic and the HPPC （Hybrid Pulse Power Characteristic）.

Keywords： LabVIEW; power battery test system; charge discharge characteristics

1   引言（Introduction）

近年来，电动汽车对于缓解能源危机和改善环境的重要意义得到了广泛的认可和重视。动力电池的安全性和充放电能力一直是限制电动汽车发展的瓶颈，优良的充放电能力能提高续航里程和使用寿命[1，2]。对动力电池进行安全、有效地检测，对于电池管理系统具有重要的意义。研究人员针对电池检测开展了广泛的研究。有研究者设计了锂离子动力电池内阻测试系统，利用LabVIEW设计了数据采集和数据分析软件[3]。工作温度是影响电池性能的重要参数，有研究者设计了锂电池组温度狀态在线检测系统，利用LavVIEW设计了上位机控制软件，对锂电池组的温度、电流和电压等关键参数进行实时采集处理[4]。动力电池SOC准确性一直是研究热点[5]，估算SOC需要对电池状态参数进行检测，有研究者设计了基于LabVIEW的电池参数检测系统，利用串口实现数据采集系统和上位机之间的通信，采集数据后进行SOC检测[6]。还有研究者利用LabVIEW搭建了电池管理系统测试平台，用于对混合动力汽车电池管理系统控制策略的验证[7]。由此可见，基于LabVIEW的动力电池测试系统设计，是当前动力电池方面的研究热点。

本文设计了基于LabVIEW的电动汽车动力电池测试系统，设计了上位机软件操作界面和通信接口，通过VISA控制GPIB与直流电源、数据采集单元和电子负载通信。

2  动力电池测试系统整体框架设计（Overall frame design of power battery test system）

本文设计的动力电池测试系统通过GPIB接口线缆将PC上位机、电源、电子负载、数据采集器等硬件连接起来，使工作人员能够在PC上位机上控制仪器的使用，完成动力电池的测试实验，并且能够将实验数据存储，并进行实验结果分析。电池测试平台整体框架如图1所示。

3   动力电池测试系统上位机软件设计（Design of upper computer software for power battery test system）

3.1   上位机软件设计的整体框架

在对电池单体的温度和倍率充电性能、温度和倍率放电性能、恒功率特性、脉冲功率特性等进行研究之后，测试系统应具备仪器控制功能、监测功能、测试功能、数据存储功能、通信功能，上位机软件整体框架如图2所示。

根据以上功能模块设计的电池单体测试系统界面如图3所示，该界面包括总线参数设定及状态显示、电池技术参数数值设定和显示、命令发送，使工作人员在上位机软件上能够控制测试进程。

3.2   电池状态监测模块设计

在动力电池的充放电过程中，需要对电池的电压、电流和温度等参数进行实时监测，以便工作人员掌握充放电过程中的电池信息及时进行操作，防止由于过充或过放对电池造成的不可修复性损坏，实现安全及功能保证。电池监测界面主要有：波形图表、电池电压/电流显示控件、倍率显示控件、测试时间显示控件及电池状态显示控件。工作人员能够在监测界面中了解当前测试时间内的实验数据以及电池状态，在波形图中观测电池电压和容量的数据波形，电池监控界面如图4所示。

在程序编辑面板上通过LabVIEW软件中的编程中While循环以及事件结构控制软件整体的运行和结束条件。引用容量的局部变量及电压的局部变量，在波形图表中显示。将电池电压/电流、倍率、容量、测试时间，以及电池显示控件与相应的捆绑簇、事件结构相连使工作人员通过显示界面即可知晓当前测试时间下的数据，监测编程面板如图5所示。

3.3   仪器控制模块

在事件结构内将电源接口局部变量、比较函数、数字字符串转换控件、电源连接指示的属性节点、连接字符等与电源的驱动连接，再添加一个条件结构控制电源的连接状况，形成电源控制。电池控制的设计面板如图6所示。

在事件结构内，添加电子负载接口局部变量、比较函数、电子负载连接指示属性节点、真假波尔等。通过连线将电子负载操作驱动与这些连接，实现对电子负载控制的目的，电子负载编程面板如图7所示。

在事件结构内，添加万用表接口的局部变量、测量功能选择控件、比较函数、万用表连接指示属性节点、接触捆绑簇。用连线把万用表驱动和以上所述的部件相连，再设计一个条件结构用以控制万用表的连接状态，实现万用表控制，万用表编程如图8所示。

以上的程序设计构成仪器控制界面，我们可以在界面中，控制仪器的连接与否，以及所选的连接通道，通过连接指示灯判断连接状态。仪器控制界面如图9所示。

3.4   数据采集存储模块

数据采集存储模块是为了便于工作人员查看实验数据所设计的，实验数据是测试实验重要的参考依据，工作人员通过实验数据的分析从而判断电池充放电的性能。本文所设计的数据采集存储模块，所存储的数据项目有：序号、时间、电池电压、电池电流、倍率和电池状态，而且会自动保存数据，每存储5000条，自动新建一个表格进行存储。数据采集的编程通过大量的转换字符串，通过创建数组将这些字符串联系起来，再通过条件结构来对所存储数据的项目进行设定。编程设计面板如图10所示。

3.5   通信协议模块

上位机仪器的通信方式主要分为：①只发送指令，不接受指令。②不用发送命令，就只用读取响应。③发送一次指令，只读取一次响应。④发送一次命令，就一直连续读取响应。本课题主要的通信方式是③。采用的是GPIB通信协议作为仪器间的通信。

电源的通信协议是通过事件结构及顺序结构进行整体限制，把visa配置串口、visa写入、visa读取、visa关闭作为核心，在相应的接口选择合适的字符串，通过连线相连从而形成电源通信协议。上位机与电源之间的通信协议模块如图11所示。

电源负载通信协议首先需要完成自定义单值寄存器子模块，然后通过条件结构、顺序结构进行限制，通过定时装置进行时间等待，用波尔指示连接状态。整体分为初始化仪器、操作写入两部分。上位机与电源负载之间的通信协议模块如图12所示。

万用表通信协议是三种协议中最简单的协议，在LabVIEW软件帮助工具栏中查找范例选项，选择合适的范例，在此基础上进行修改。上位机与万用表之间的通信协议如图13所示。

4   动力电池测试系统检测（Power battery test system detection）

本文设计的动力电池测试系统中，电池控制部分设计了：连接按钮、串口的选择及连接指示灯。用GPIB配套线缆将上位机与硬件连接起来，在上位机上选择合适的串口通道，点击连接按钮，若是连接成功指示灯被点亮。若是没被点亮，就要检查线缆是否有松动或者损坏，以及調试通信协议。测试参数设置部分设计了：模式选择控件、充/放电截止电压输入控件、额定容量输入控件、充/放电电流输入控件、通信指示灯、是否进行数据保存选项，以及测试按钮。测试开始前，需要将参数设置完毕，再点击测试按钮，在测试过程中，通信指示灯会不断闪烁。监控电池状态部分设计了：电池电压显示控件、电池电流显示控件、倍率显示控件、测试时间显示控件、电池状态显示控件及波形图表，以便于工作人员能实时监测电池状态。其中波形图表曲线1代表电池电压与测试时间的关系，曲线2代表容量与测试时间之间的关系。

测试系统充电模式界面如图14所示，该界面中，电源、万用表、通信指示灯被点亮用来指示连接状态，仪器连接的按钮变为停止输出按钮，开始测试按钮变为停止测试，电池电压随着测试时间的变长而逐渐增加，容量与测试时间呈线性关系的上升。

测试系统放电模式界面如图15所示，电子负载与万用表连接完毕，通信指示灯也点亮，电池电压随测试时间的加长而逐渐下降，容量与测试时间表现为线性关系。

5   结论（Conclusion）

为了测试电动汽车动力电池特性，本文设计了基于LabVIEW的电动汽车动力电池测试系统，通过人机交互界面实现控制电池的充放电，对电池的电池倍率特性、功率特性和脉冲功率特性等的测量。实验结果表明，该系统能够实现电池重要特性的测试，具有重要的推广价值。

参考文献（References）

[1] Balasingam Balakumar， Pattipati Bharath， Sankavaram Chaitanya， et al. An EM approach for dynamic battery management systems[J]. Information Fusion（FUSION）， 2012 15th International Conference on. IEEE， 2012（07）： 2110-2117.

[2] 李国洪，资新运，刘鲁源.动力电池综合性能测试系统的开发研制[C].中国汽车工程学会学术年会，2003：1046-1050.

[3] 王宏志，武俊峰.基于LabVIEW的锂离子动力电池内阻测试系统[J].自动化技术与应用，2009（4）：80-82.

[4] 王健，陈磊，温小明.基于LabVIEW的锂电池组温度状态的在线测试系统研究[J].电子世界，2018（18）：8-10.

[5] 王昕灿，郑燕萍，张林峰，等.基于LabVIEW的动力电池SOC实时估算系统研发[J].电源技术，2017，41（3）：374-376.

[6] 李桂娟，张持健，施志刚，等.基于LabVIEW的锂电池SOC预估与参数监测系统[J].传感器与微系统，2018，37（10）：69-71.

[7] 陈雨飞，李志扬，朱建新，等.基于LabVIEW的电池管理系统测试平台设计[J].电源技术，2019，43（7）：1205-1207.

作者简介：

郁俊伟（1997-），男，本科生.研究领域：车辆工程.

李旭东（1998-），男，本科生.研究领域：车辆工程.

赵奉奎（1986-），男，博士，讲师.研究领域：智能汽车环境感知.本文通讯作者.