基于LIN總線的純電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：提出了一種基于LIN 總線的磷酸鐵鋰電池組在線監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，通過以Dspic30f4012 芯片為核心底層硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磷酸鐵鋰電池參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)，通過LIN 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并基于較精確的電池模型基礎(chǔ)上采用擴(kuò)展Kalman 算法對(duì)電池荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行估算，提高了估算精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能很好地對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和有效保護(hù)，為電動(dòng)汽車的電池智能化管理系統(tǒng)開發(fā)提供了應(yīng)用價(jià)值。

　　磷酸鐵鋰電池作為新型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池，具有容量大、安全性高、耐高溫特別是循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其循環(huán)壽命比普通的鉛酸電池至少要高4 倍，在車用動(dòng)力電池的市場(chǎng)中具有極大的應(yīng)用潛力。在現(xiàn)階段動(dòng)力電池的容量沒有根本性突破的情況下，電池管理系統(tǒng)（battery management system,BMS）在電動(dòng)車中的應(yīng)用將顯得異常重要，它能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度，并通過這些參數(shù)估算電池的荷電狀態(tài)（state of charge,SOC），為駕駛員提供車輛續(xù)駛里程參考；此外BMS 能夠?qū)﹄姵氐倪^充、過放電進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)，對(duì)電池組和單節(jié)電池進(jìn)行有效保護(hù)，從而提升電池使用性能、提高電池壽命。LIN 總線是一種低成本的汽車A 類總線，非常適合溫度、電流這類實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，通過LIN 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的總線化傳輸，進(jìn)一步降低了成本。

　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與功能

　　在本設(shè)計(jì)中，電池管理系統(tǒng)分為兩大部分：信號(hào)檢測(cè)模塊、通信及信息處理模塊。在信號(hào)檢測(cè)模塊中，每節(jié)單體電池對(duì)應(yīng)一個(gè)底層ECU（Dspic30F4012），可以實(shí)現(xiàn)單體電壓采集、電流檢測(cè)、溫度采樣；同時(shí)也能檢測(cè)整個(gè)電池組的電壓、電流和環(huán)境溫度，用于電池一般充電與均衡充電時(shí)的檢測(cè)與保護(hù)，如圖1 所示。

　　底層ECU 把檢測(cè)到的電壓、電流、溫度等變量封裝為L(zhǎng)IN總線幀格式，然后通過LIN 總線與上層ECU 進(jìn)行通信。信息處理模塊可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)實(shí)時(shí)估算和故障分析，并把溫度、電壓、電流等信息進(jìn)行顯示。

　　2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 電池管理系統(tǒng)的基本硬件設(shè)計(jì)

　　由于電池組的單體數(shù)目比較多，本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能有效減少采樣線穿越電池，降低安裝和調(diào)試的復(fù)雜性，同時(shí)也能降低安全隱患。底層ECU 使用Dspic30f4012芯片，它能在-40~125 ℃溫度范圍內(nèi)工作，屬于汽車級(jí)芯片；它具有豐富的模擬量、數(shù)字量I/O 接口、10 位A/D 轉(zhuǎn)換功能以及SCI 通信功能等。

　　2.1.1 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

　　Dspic30f4012 具有2.5~5.5 V 范圍的寬工作電壓，因而可以用單節(jié)磷酸鐵鋰電池直接供電，只需要加一個(gè)0.1 μF 的濾波電容即可使芯片工作，供電電路得到極大簡(jiǎn)化。由于F4012 芯片內(nèi)不提供A/D 轉(zhuǎn)換的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，因此在進(jìn)行電壓檢測(cè)時(shí)，需要外部提供A/D 轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，本文選用低功耗、低電壓誤差的LM385 來提供2.5 V 的外部基準(zhǔn)電壓，如圖2 所示。

　　本設(shè)計(jì)中電壓檢測(cè)模塊的特點(diǎn)是各個(gè)檢測(cè)模塊分別檢測(cè)各自單體電池上的電壓，而不是通過傳統(tǒng)的多路開關(guān)分時(shí)選擇的方法來實(shí)現(xiàn)，這樣就完全實(shí)現(xiàn)了純分布式的電池管理結(jié)構(gòu)。磷酸鐵鋰電池的電壓直接從單體電池兩端引出電壓，然后通過兩個(gè)高精度的電阻進(jìn)行分壓，分壓得到的電壓引入Dspic30f4012 芯片內(nèi)部的A/D 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行電壓的檢測(cè)。Dspic30f4012 芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器為10 位精度，基準(zhǔn)電壓為2.5 V,所以電壓檢測(cè)模塊能夠檢測(cè)到0~5 V 的電壓范圍，大于單體電池的最大電壓3.65 V.電池組的總電壓的檢測(cè)， 經(jīng)由信號(hào)衰減電路與抗共模電壓電路接入Dspic30f4012 芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換通道中完成電池組電壓的采集。

　　單體電池電流的檢測(cè)通過霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)，霍爾傳感器能輸出最高3 V 的電壓信號(hào)，可以直接接入到Dspic30f4012芯片內(nèi)的A/D 采樣通道中；電池的溫度的檢測(cè)通過TJ1047溫度檢測(cè)芯片來實(shí)現(xiàn)，TJ1047 溫度檢測(cè)芯片在-40 ℃和125 ℃時(shí)輸出電壓分別為0.5 V 和1.75 V,并且具有10 mV/℃的溫度電壓比例特性和±0.5 ℃的誤差。因此從TJ1047 芯片輸出的電壓可以直接接入Dspic30f4012 芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換通道中，即可完成對(duì)電池溫度和環(huán)境溫度的采集。