1引言

動(dòng)力電池集成作為電動(dòng)汽車核心技術(shù)之一對電動(dòng)汽車運(yùn)行的性能有著決定性的作用，為保證動(dòng)力電池安全且高效的應(yīng)用，需要對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測并同時(shí)對其進(jìn)行控制，電池管理系統(tǒng)在動(dòng)力電池與整車控制之間起到了這樣關(guān)鍵的橋梁作用。為保證電池管理系統(tǒng)為電動(dòng)汽車提供準(zhǔn)確可靠的動(dòng)力電池信息并對電池進(jìn)行可靠的管理，需要對電池管理系統(tǒng)自身運(yùn)行的各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，以及對電池運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，同時(shí)在動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)需要對其進(jìn)行診斷，基于LabVIEW的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺即是為實(shí)現(xiàn)上述需求而開發(fā)設(shè)計(jì)。

LabVIEW(LaboratoryVirtualINStrumentatiONEngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是由美國NationalInSTruments(簡稱NI)所開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境把工業(yè)測量與控制和計(jì)算機(jī)完美結(jié)合在一起，其圖形化的界面使得編程就像操作儀器面板或畫電路板一樣簡易直觀、易于理解。但為了開發(fā)可靠、高效、靈活的電池管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺，需要對其程序設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的原理分析、細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、及靈活的接口實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控平臺就利用了LabVIEW的DLL(dynamiclinklibrary，動(dòng)態(tài)鏈接庫)、多線程，數(shù)據(jù)記錄、運(yùn)行控制等技術(shù)。

2平臺結(jié)構(gòu)

監(jiān)控平臺是基于電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件主要實(shí)現(xiàn)pC與電池管理系統(tǒng)之間的通信，因電池管理系統(tǒng)對外通信主要采用CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng))，而pC端接口多為USB(UniversalSerialBus，通用串行總線)。CAN總線由德國Bosch公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其具有高位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出總線的任何錯(cuò)誤;USB是一種支持即插即用的新型串行接口，已廣泛用于pC的對外接口。解決CAN與USB之間的轉(zhuǎn)換就解決了電池管理系統(tǒng)與pC的通信，利用周立功USBCAN-II的智能CAN接口卡，可以很方便的實(shí)現(xiàn)這一功能，監(jiān)控平臺硬件正是以pC為主體，連接CAN接口卡，通過CAN總線連接電池管理系統(tǒng)組成。周立功智能CAN卡配備了pC端的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)為pC端應(yīng)用程序提供了接口函數(shù)，采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)可很好的操作周立功智能CAN接口卡，實(shí)現(xiàn)與電池管理系統(tǒng)的通信。

由圖1可見，系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控平臺與電池管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的透明傳輸，周立功智能CAN接口卡起到了很好的橋梁作用，其上自帶的光電隔離模塊使USBCANII接口卡避免由于地環(huán)流造成的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。所以監(jiān)控平臺有很好的硬件支持，設(shè)計(jì)的主要工作是監(jiān)控平臺的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

針對電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)標(biāo)定、故障診斷及對電池?cái)?shù)據(jù)分析的要求，監(jiān)控平臺軟件的結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含信息顯示、系統(tǒng)標(biāo)定、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲及平臺配置等模塊(見圖2)。其中信息顯示功能提供了直觀的動(dòng)力電池信息，包括單體電壓、總電壓、電流、溫度、SOC及故障狀態(tài)等;系統(tǒng)標(biāo)定功能為電池管理系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)修訂提供了便捷的操作;故障診斷功能主要針對動(dòng)力電池系統(tǒng)的維護(hù);數(shù)據(jù)存儲功能為進(jìn)一步的對電池性能的分析及對電池管理系統(tǒng)的功能驗(yàn)證提供很好的數(shù)據(jù)支持;平臺配置功能是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺接口靈活、界面友好、操作簡便的關(guān)鍵?；贚abVIEW的軟件設(shè)計(jì)主要針對這幾個(gè)方面進(jìn)行。

圖1監(jiān)控平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2監(jiān)控平臺功能模塊

3軟件設(shè)計(jì)

采用NI公司的LabVIEW8.2作為監(jiān)控平臺軟件的開發(fā)平臺，既能很方便的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺需要的功能，又能使軟件設(shè)計(jì)變得直觀、快捷，同時(shí)軟件兼具有靈活性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、代碼重用性和可讀性。

為實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)控平臺的各個(gè)功能，同時(shí)保證平臺高效的性能，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用了LabVIEW的多線程技術(shù)。所謂線程(thread)是指由進(jìn)程進(jìn)一步派生出來的一組代碼(指令組)的運(yùn)行過程。多線程技術(shù)可以使同一個(gè)程序有幾個(gè)并行運(yùn)行的路徑，從而提高程序的運(yùn)行速度，線程所占用的系統(tǒng)資源比進(jìn)程要小。在一個(gè)程序中，線程并不是越多越好，也并不是越多程序執(zhí)行得越快。針對計(jì)算機(jī)的CpU只有一個(gè)的情況，當(dāng)一個(gè)線程在執(zhí)行的時(shí)候，其它的線程就處于掛起或者阻塞狀態(tài)，那么程序使用內(nèi)存的效率就會很低。針對監(jiān)控平臺的功能，要求同時(shí)考慮平臺的高效運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)了四個(gè)線程，即通過CAN總線的數(shù)據(jù)采集與顯示;平臺參數(shù)配置;數(shù)據(jù)存儲;系統(tǒng)標(biāo)定和故障診斷。

3.1數(shù)據(jù)采集及顯示

平臺采用了USBCAN-II智能CAN接口卡連接pC與電池管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收電池管理系統(tǒng)CAN總線的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。USBCAN-II智能CAN接口卡為應(yīng)用程序提供了可調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫，利用LabVIEW中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)(CallLibraryFunction，簡稱CLF)可實(shí)現(xiàn)對USBCAN-II智能CAN接口卡的靈活操作，應(yīng)用CLF需要對其進(jìn)行配置，配置主要根據(jù)接口函數(shù)設(shè)定調(diào)用規(guī)范為stdcall(WINApI)，同時(shí)根據(jù)函數(shù)參數(shù)設(shè)定CLF的參數(shù)。最終設(shè)置好的CLF為編程提供了便捷的接口，也為平臺參數(shù)配置功能提供了方便，通過設(shè)備類型號和設(shè)備索引號可靈活在USBCAN-II智能CAN卡的COM1和COM2之間進(jìn)行選擇。按類似的設(shè)置規(guī)則配置好USBCAN-II的其他接口函數(shù)的調(diào)用，可對USBCAN-II智能CAN進(jìn)行靈活的操作。

根據(jù)USBCAN-II操作要求，數(shù)據(jù)采集流程如圖3。為了操作方便，接收數(shù)據(jù)被封裝成子VI。

LabVIEW中的子VI類似于C語言中的子函數(shù)，可以被其他VI調(diào)用。數(shù)據(jù)接收子VI也為平臺參數(shù)配置提供了配置接口，接收到的數(shù)據(jù)被打包成LabVIEW中的簇變量，簇是LabVIEW中的一種數(shù)據(jù)類型，它可以包含多個(gè)不同數(shù)據(jù)類型的元素，類似C語言中的結(jié)構(gòu)體。數(shù)據(jù)的打包方便了對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與存儲。數(shù)據(jù)接收采用循環(huán)接收模式，直至收到停止接收命令。

圖3數(shù)據(jù)采集流程。

現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)向CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)有單體電壓，總電壓，電流，SOC，SOH，溫度，最高和最低單體電壓，最大和最小溫度等，其中各從板負(fù)責(zé)單體電壓和溫度的測量，每個(gè)從板有電壓60個(gè)，溫度16個(gè)，及故障信息等，總共4個(gè)從板。需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與存儲，以方便對電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，同時(shí)根據(jù)故障信息對電池進(jìn)行維護(hù)。利用LabVIEW設(shè)計(jì)友好的顯示界面，將上述信息按從板號設(shè)置不同的選項(xiàng)卡進(jìn)行顯示，如圖4所示。

圖4顯示界面。

3.2平臺參數(shù)配置

利用LabVIEW多線程技術(shù)專為平臺參數(shù)配置分配一個(gè)線程，對監(jiān)控平臺參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)控平臺參數(shù)可分為以下幾類:USBCAN-II智能CAN卡配置，包括CAN通道選擇、CAN通信波特率等;顯示配置，含從板數(shù)，從板電壓節(jié)數(shù)，從板溫度個(gè)數(shù)等;數(shù)據(jù)存儲配置，含存儲的周期、位置、格式等;系統(tǒng)標(biāo)定和故障診斷配置，含標(biāo)定的參數(shù)類型、位置及故障診斷的故障類型等。

LabVIEW是一種數(shù)據(jù)流的程序開發(fā)平臺，由數(shù)據(jù)流決定程序中節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行順序。事件驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展了或程序不同部分之間的交流影響程序的執(zhí)行。平臺參數(shù)配置采用了事件結(jié)構(gòu)，很好的在異步情況下對不同線程之間的參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置，當(dāng)沒有事件產(chǎn)生時(shí)，程序回到等待事件狀態(tài)，減小了對其他線程執(zhí)行的影響。

3.3數(shù)據(jù)的存儲

在LabVIEW中常用的記錄數(shù)據(jù)的方法有利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲數(shù)據(jù)和利用文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。使用文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)文件讀寫速度快、占用磁盤空間少、檢索方便快捷。本監(jiān)控平臺將存儲的文件格式默認(rèn)設(shè)為csv格式，其占用磁盤空間小，同時(shí)這種格式可以在Excel中進(jìn)行查看，也可以導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行分析，這特別有利于對電池性能進(jìn)行研究。

為數(shù)據(jù)存儲建立獨(dú)立的線程，方便了編程的實(shí)現(xiàn)，但需要解決數(shù)據(jù)同步的問題，即數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲兩個(gè)線程之間的流程控制。在LabVIEW中不同循環(huán)間傳遞數(shù)據(jù)可采用局部變量，但是在數(shù)據(jù)采集循環(huán)與數(shù)據(jù)存儲循環(huán)之間傳遞數(shù)據(jù)的話，局部變量就不太夠用了。因?yàn)閿?shù)據(jù)保存到硬盤上是一項(xiàng)比較費(fèi)時(shí)的工作，而數(shù)據(jù)采集對循環(huán)時(shí)間要求較高，兩者的循環(huán)快慢不一樣，此時(shí)，就不能簡單的通過局部變量來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在數(shù)據(jù)采集循環(huán)與數(shù)據(jù)存儲循環(huán)之間，采用LabVIEW中消息通知器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步傳遞。本監(jiān)控平臺在數(shù)據(jù)采集中將數(shù)據(jù)打包成簇類型，通過消息通知器傳遞數(shù)據(jù)并進(jìn)行儲存。

3.4系統(tǒng)標(biāo)定和故障診斷

為保證動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要對電池管理系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以保證電池管理系統(tǒng)所檢測信息的可靠性，確保電池管理系統(tǒng)對電池的正確管理。當(dāng)動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，僅僅依靠監(jiān)控電池參數(shù)來診斷故障是不夠的，還需要對電池管理系統(tǒng)自身的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行診斷，這些參數(shù)包括電池管理系統(tǒng)配置參數(shù)、軟硬件信息、軟硬件工作狀態(tài)等;電池管理系統(tǒng)有自檢功能，通過可靠的CAN總線可以實(shí)現(xiàn)對這些功能的觸發(fā)，最終通過CAN總線返回信息，盡可能定位故障點(diǎn)。監(jiān)控平臺的另一功能就是要實(shí)現(xiàn)對電池管理系統(tǒng)的標(biāo)定及在電池系統(tǒng)有故障時(shí)進(jìn)行故障診斷，為實(shí)現(xiàn)此功能需要通過CAN總線與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，USB??

CAN-II中提供了向CAN總線發(fā)送信息接口函數(shù)，類似于接收函數(shù)，利用LabVIEW設(shè)計(jì)發(fā)送子VI，同時(shí)建立系統(tǒng)標(biāo)定和故障診斷線程調(diào)用發(fā)送和接收子VI，實(shí)現(xiàn)與電池管理系統(tǒng)的交互。

4結(jié)束語

本監(jiān)控平臺充分借助LabVIEW的多線程及其靈活的接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對CAN總線的高速數(shù)據(jù)采集和多種格式文件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄，并且監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)靈活，能適應(yīng)電池管理系統(tǒng)多種組合方案，同時(shí)監(jiān)控平臺的系統(tǒng)標(biāo)定及故障診斷為電池管理系統(tǒng)的量產(chǎn)打下很好的技術(shù)基礎(chǔ)。該監(jiān)控平臺已用于普天、恒通、吉利等多種電動(dòng)汽車用鐵鋰電池管理系統(tǒng)。在一年多的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，既為用戶及時(shí)提供了實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，又為開發(fā)人員提供方便的診斷接口，為近一步研究電池管理和分析鐵鋰電池的性能提供了有力的保證。

數(shù)據(jù)流編程的功能，允許用戶在前面板的直接干預(yù)。