电动汽车用电池管理系统测试平台的设计与研究
廖瑾瑜 齐铂金 沙翠云
北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191
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摘 要 为取代传统蓄电池组、模拟各类动力电池组的电池特性、对电动汽车用电池管理系统的功能、性能参数、可靠性进行测试并节约实验成本，本文开发出一套电动汽车用电池管理系统测试平台。此测试平台用于模拟实际电池充放电外特性与状态信息，可模拟实际电池组可能出现的故障。测试平台使用一台上位机和多台下位机对动力电池组的特性进行模拟，主要采用CAN 总线进行数据传递，有助于构建仿真系统下电池管理系统的测试、检验以及标定。
关键词 测试平台 动力电池组 电池管理系统
1．引言
当前，日益增长的能量消耗和短缺、大气污染等问题威胁着人类的可持续发展。石油作为一种有限的资源正导致汽车行业产生突破性的变化，为降低废气排放量以及追求更高的燃油经济性，电动汽车在这样一个时代背景要求下发展起来。动力电池组作为能源存储装置，在电动汽车中发挥着极其重要的作用。为使电池尽量处于最佳的工作状态，从而最大限度地发挥动力电池组的储能作用，电池管理系统成为动力电池组必不可少的重要组件。在电动汽车相关技术中，国内外对电池管理系统的研究均取得了一定的成果[1-4]。但是，电池管理系统在研究开发阶段没有相应的测试设备，须安装在电动汽车中进行实测，其功能、性能等易受各种因素干扰，如电磁干扰等，同时持续运行消耗实际电池能量，使得测试成本增加。针对这种情况，本文提出搭建一套电动汽车用电池管理系统测试平台，用于模拟实际电池组的性能，如电动汽车用锂离子电池或者镍氢电池的静特性以及充放电外特性，还可模拟电池组可能出现的故障，实现对电池管理系统的功能、性能参数、可靠性的测试。
２．电动汽车用电池管理系统测试平台设计思路
电动汽车用电池一般是由数十块电池串联组成的电池组。电池组状态信息包括单体电池电压，温度，总电流，而总电流、温度信息可通过改变电压值来模拟，即测试平台模拟出单体电池电压信息的同时也可模拟电流、温度信息。这些数据输出后传到电池管理系统。当测试平台模拟电池组可能出现故障如某一路或某几路电池电压高于或低于极限值或者温度电流过高的时候，可通过改变单路输出数值信息来实现。实现动力电池组外特性的模拟有查表法和多项式法，这里主要采用查表法[5]。在实际设计中，本文采用这样一种思路来设计电池管理系统测试平台，如图1所示。
图1 总体方案图
上位机根据储存在电脑中的电池特性和实验数据，通过CAN 总线把相应的电压信息发送到下位机。信号经下位机处理后输出所要模拟的电池的外特性以及温度、电流等信息，一方面该结果直接输入到电池管理模块中，另一方面作为反馈信号，反馈到上位机中。上位机对数据进行分析，以完成对电池管理系统精度和响应特性与电池组模拟器精度的测试（如图2）。
图2 采样精度算法
单体电池的电压、总电流、温度的模拟信息采用电压输出型的D/A（数字/模拟转换器）进行输出，输出范围0V-4.5V。实时改变其中一种信息，使其超过所设定的极限值，即可模拟实际电池组可能出现的故障。
2.1 电池管理系统测试平台硬件结构与功能
该测试平台主要是由上位PC 机和下位机输出模块组成。下位机输出信息包括89路单体电池电压的模拟输出、1路总电流的模拟输出和10路温度的模拟输出，输出范围0V-4.5V（如图3）。所有单体电压模拟信号串联在一起，形成具有高电压的电池组。上位机与下位机通过CAN 总线网络进行通信。
图3 电池管理系统测试平台硬件结构
在测试平台中，CAN总线通信是通过德国IXXAT 公司的USB-CAN 卡完成的。和诸多CAN 卡厂商一样，IXXAT公司为其每块PC/CAN-Interface都提供了一套功能强大的软件开发包VCI （Virtual CAN Interfaces），以备用户在PC 机上开发应用程序使用，该开发包包含了基于Windows API 函数的Demo 程序和通用通信程序模块DLL 文件，通过调用这些函数，可实现CAN 总线的通信。
上位PC 机主要功能有：1、对测试平台的工作模式进行设定；2、发送所要输出的单体电压信息，电流信息，温度信息；3、接收、显示实时运行的数据；4、 通过数据拟合，对电池管理系统的功能、性能等进行分析。
下位机主要是由电源模块，主控模块，数字模拟转换模块组成（如图4）。电源模块主要是用
来给主控模块、转换模块提供电源，将外界输入的交流9V 经过整流、滤波和稳压后转变为直流5V。主控板主要由Microchip 生产的PIC18F2480单片机，D/A转换器DAC7512，CAN的收发器PCA82C250,光电耦合6N137等器件组成。下位机的主要功能包括：1、接收上位PC 机的数据，进行数据处理，输出所需的模拟量信息；2、通过自带的AD 采集输出结果，传回到上位机中；3、 模
拟电池充放电的过程，以及出现故障时的情况。
图4 下位机结构简图
2.2 电池管理系统测试平台软件设计
2.2.1 上位机通信过程设计
图5 上位机程序流程简图
上位PC 机作为控制主机，采用Visual Basic设计人机交互界面，用MATLAB 实现数据处理和图形输出。VB 通过查表法获得电池特性数据的同时调用软件开发包VCI 的各种功能函数实现与 CAN 卡的连接。上位机就可将电池的外特性数据以及总电流、温度信息传输到下位机。同时上位机接收来自电池管理系统的采集数据以及下位机的自反馈数据，使用 MATLAB图像函数进行图形输出，通过拟合可分析精度、性能和功能。上位机发送数据和接收数据的程序流程简图如图5。
2.2.2 下位机软件程序设计
下位机的微处理器PIC18F2480集成了CAN 控制器，串行外围芯片接口（SPI），A/D转换模块等。其中CAN 控制器支持CAN2.0B 协议现行版本，包含完整的CAN 系统。串行外围芯片接口（SPI）可以使能，同时同步发送和接收数据。10位A/D转换器分辨率为4mV，基本达到要求。下位机上电时须进行初始化。初始化过程包括全局总中断设置，输入/输出口设置，CAN 控制器初始化设置，串口SPI 初始化设置，A/D初始化设置。本系统采用的晶振频率为8MHz，CAN总线通信波特率为
125kHz。初始化完成之后，采用中断查询机制进行数据的接收与发送。下位机程序运行流程图如图
6：
图6 下位机程序流程简图
3．实验结果
通过实验，对所设计的测试平台进行验证。实验中，主要模拟了8Ah 镍氢电池在1C 情况下的充放电曲线的外特性。图7为镍氢电池的充电曲线，图8为镍氢电池的放电曲线，红线为实际数据[6]，黑线为测试平台采集数据。从曲线走向上来说，该测试平台模拟出的特性曲线基本符合
要求，模拟出的数值和实际数值相差不多，计算幅度较为接近实际实验结果。
图7 镍氢电池1C 充电曲线
图8镍氢电池1C 放电曲线
4．结论
本文提出的电池管理系统测试平台初步经过试验，可以实现对镍氢电池特性的模拟，后期还将实现对其它种类电池特性的模拟，如锂离子电池等。同时测试平台也可模拟实际电池组可能出现的故障，从而更能全面测试电池管理系统的性能，可靠性等。测试平台代替实际电池组，对电池管理系统进行测试，将大大降低测试成本。
参考文献
[1] A. Affanni, A. Bellini, G. Franceschini, P. Guglielmi, and C. Tassoni, “Battery choice and management for
new-generation electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 5, pp. 1343–1349, Oct. 2005.
[2] S. M. Lukic and A. Emadi, “Effects of drive train hybridization on fuel economy and dynamic performance of
parallel hybrid electric vehicles, ” IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 53, no. 2, pp. 385–389, Mar. 2004.
[3] C. C. Chan and Y. S. Wong, “Electric vehicles charge forward,” IEEE Power Energy Mag. vol. 2, no. 6, pp.
24–33, Nov./Dec. 2004.
[4] 王书贤，电动汽车的现状及发展趋势，CAM中国汽车制造，2006.09
[5] 吴红杰， 混合动力电动车镍氢动力电池管理技术研究，博士学位论文，2005.11
[6] 孙逢春，何洪文，陈勇，张承宁，镍氢电池充放电特性研究[J]，汽车技术，2001.6
作者：廖瑾瑜
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电动汽车用电池管理系统测试平台的设计与研究
廖瑾瑜 齐铂金 沙翠云
北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191
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摘 要 为取代传统蓄电池组、模拟各类动力电池组的电池特性、对电动汽车用电池管理系统的功能、性能参数、可靠性进行测试并节约实验成本，本文开发出一套电动汽车用电池管理系统测试平台。此测试平台用于模拟实际电池充放电外特性与状态信息，可模拟实际电池组可能出现的故障。测试平台使用一台上位机和多台下位机对动力电池组的特性进行模拟，主要采用CAN 总线进行数据传递，有助于构建仿真系统下电池管理系统的测试、检验以及标定。
关键词 测试平台 动力电池组 电池管理系统
1．引言
当前，日益增长的能量消耗和短缺、大气污染等问题威胁着人类的可持续发展。石油作为一种有限的资源正导致汽车行业产生突破性的变化，为降低废气排放量以及追求更高的燃油经济性，电动汽车在这样一个时代背景要求下发展起来。动力电池组作为能源存储装置，在电动汽车中发挥着极其重要的作用。为使电池尽量处于最佳的工作状态，从而最大限度地发挥动力电池组的储能作用，电池管理系统成为动力电池组必不可少的重要组件。在电动汽车相关技术中，国内外对电池管理系统的研究均取得了一定的成果[1-4]。但是，电池管理系统在研究开发阶段没有相应的测试设备，须安装在电动汽车中进行实测，其功能、性能等易受各种因素干扰，如电磁干扰等，同时持续运行消耗实际电池能量，使得测试成本增加。针对这种情况，本文提出搭建一套电动汽车用电池管理系统测试平台，用于模拟实际电池组的性能，如电动汽车用锂离子电池或者镍氢电池的静特性以及充放电外特性，还可模拟电池组可能出现的故障，实现对电池管理系统的功能、性能参数、可靠性的测试。
２．电动汽车用电池管理系统测试平台设计思路
电动汽车用电池一般是由数十块电池串联组成的电池组。电池组状态信息包括单体电池电压，温度，总电流，而总电流、温度信息可通过改变电压值来模拟，即测试平台模拟出单体电池电压信息的同时也可模拟电流、温度信息。这些数据输出后传到电池管理系统。当测试平台模拟电池组可能出现故障如某一路或某几路电池电压高于或低于极限值或者温度电流过高的时候，可通过改变单路输出数值信息来实现。实现动力电池组外特性的模拟有查表法和多项式法，这里主要采用查表法[5]。在实际设计中，本文采用这样一种思路来设计电池管理系统测试平台，如图1所示。
图1 总体方案图
上位机根据储存在电脑中的电池特性和实验数据，通过CAN 总线把相应的电压信息发送到下位机。信号经下位机处理后输出所要模拟的电池的外特性以及温度、电流等信息，一方面该结果直接输入到电池管理模块中，另一方面作为反馈信号，反馈到上位机中。上位机对数据进行分析，以完成对电池管理系统精度和响应特性与电池组模拟器精度的测试（如图2）。
图2 采样精度算法
单体电池的电压、总电流、温度的模拟信息采用电压输出型的D/A（数字/模拟转换器）进行输出，输出范围0V-4.5V。实时改变其中一种信息，使其超过所设定的极限值，即可模拟实际电池组可能出现的故障。
2.1 电池管理系统测试平台硬件结构与功能
该测试平台主要是由上位PC 机和下位机输出模块组成。下位机输出信息包括89路单体电池电压的模拟输出、1路总电流的模拟输出和10路温度的模拟输出，输出范围0V-4.5V（如图3）。所有单体电压模拟信号串联在一起，形成具有高电压的电池组。上位机与下位机通过CAN 总线网络进行通信。
图3 电池管理系统测试平台硬件结构
在测试平台中，CAN总线通信是通过德国IXXAT 公司的USB-CAN 卡完成的。和诸多CAN 卡厂商一样，IXXAT公司为其每块PC/CAN-Interface都提供了一套功能强大的软件开发包VCI （Virtual CAN Interfaces），以备用户在PC 机上开发应用程序使用，该开发包包含了基于Windows API 函数的Demo 程序和通用通信程序模块DLL 文件，通过调用这些函数，可实现CAN 总线的通信。
上位PC 机主要功能有：1、对测试平台的工作模式进行设定；2、发送所要输出的单体电压信息，电流信息，温度信息；3、接收、显示实时运行的数据；4、 通过数据拟合，对电池管理系统的功能、性能等进行分析。
下位机主要是由电源模块，主控模块，数字模拟转换模块组成（如图4）。电源模块主要是用
来给主控模块、转换模块提供电源，将外界输入的交流9V 经过整流、滤波和稳压后转变为直流5V。主控板主要由Microchip 生产的PIC18F2480单片机，D/A转换器DAC7512，CAN的收发器PCA82C250,光电耦合6N137等器件组成。下位机的主要功能包括：1、接收上位PC 机的数据，进行数据处理，输出所需的模拟量信息；2、通过自带的AD 采集输出结果，传回到上位机中；3、 模
拟电池充放电的过程，以及出现故障时的情况。
图4 下位机结构简图
2.2 电池管理系统测试平台软件设计
2.2.1 上位机通信过程设计
图5 上位机程序流程简图
上位PC 机作为控制主机，采用Visual Basic设计人机交互界面，用MATLAB 实现数据处理和图形输出。VB 通过查表法获得电池特性数据的同时调用软件开发包VCI 的各种功能函数实现与 CAN 卡的连接。上位机就可将电池的外特性数据以及总电流、温度信息传输到下位机。同时上位机接收来自电池管理系统的采集数据以及下位机的自反馈数据，使用 MATLAB图像函数进行图形输出，通过拟合可分析精度、性能和功能。上位机发送数据和接收数据的程序流程简图如图5。
2.2.2 下位机软件程序设计
下位机的微处理器PIC18F2480集成了CAN 控制器，串行外围芯片接口（SPI），A/D转换模块等。其中CAN 控制器支持CAN2.0B 协议现行版本，包含完整的CAN 系统。串行外围芯片接口（SPI）可以使能，同时同步发送和接收数据。10位A/D转换器分辨率为4mV，基本达到要求。下位机上电时须进行初始化。初始化过程包括全局总中断设置，输入/输出口设置，CAN 控制器初始化设置，串口SPI 初始化设置，A/D初始化设置。本系统采用的晶振频率为8MHz，CAN总线通信波特率为
125kHz。初始化完成之后，采用中断查询机制进行数据的接收与发送。下位机程序运行流程图如图
6：
图6 下位机程序流程简图
3．实验结果
通过实验，对所设计的测试平台进行验证。实验中，主要模拟了8Ah 镍氢电池在1C 情况下的充放电曲线的外特性。图7为镍氢电池的充电曲线，图8为镍氢电池的放电曲线，红线为实际数据[6]，黑线为测试平台采集数据。从曲线走向上来说，该测试平台模拟出的特性曲线基本符合
要求，模拟出的数值和实际数值相差不多，计算幅度较为接近实际实验结果。
图7 镍氢电池1C 充电曲线
图8镍氢电池1C 放电曲线
4．结论
本文提出的电池管理系统测试平台初步经过试验，可以实现对镍氢电池特性的模拟，后期还将实现对其它种类电池特性的模拟，如锂离子电池等。同时测试平台也可模拟实际电池组可能出现的故障，从而更能全面测试电池管理系统的性能，可靠性等。测试平台代替实际电池组，对电池管理系统进行测试，将大大降低测试成本。
参考文献
[1] A. Affanni, A. Bellini, G. Franceschini, P. Guglielmi, and C. Tassoni, “Battery choice and management for
new-generation electric vehicles,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 5, pp. 1343–1349, Oct. 2005.
[2] S. M. Lukic and A. Emadi, “Effects of drive train hybridization on fuel economy and dynamic performance of
parallel hybrid electric vehicles, ” IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 53, no. 2, pp. 385–389, Mar. 2004.
[3] C. C. Chan and Y. S. Wong, “Electric vehicles charge forward,” IEEE Power Energy Mag. vol. 2, no. 6, pp.
24–33, Nov./Dec. 2004.
[4] 王书贤，电动汽车的现状及发展趋势，CAM中国汽车制造，2006.09
[5] 吴红杰， 混合动力电动车镍氢动力电池管理技术研究，博士学位论文，2005.11
[6] 孙逢春，何洪文，陈勇，张承宁，镍氢电池充放电特性研究[J]，汽车技术，2001.6
作者：廖瑾瑜
手机：[1**********]
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