基于LIN總線的純電動車電池管理系統(tǒng)設計

　　摘要：提出了一種基于LIN 總線的磷酸鐵鋰電池組在線監(jiān)測和管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分布式的網(wǎng)絡控制結構，通過以Dspic30f4012 芯片為核心底層硬件的設計，實現(xiàn)了對磷酸鐵鋰電池參數(shù)的精確監(jiān)測，通過LIN 總線技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并基于較精確的電池模型基礎上采用擴展Kalman 算法對電池荷電狀態(tài)（SOC）進行估算，提高了估算精度。實驗結果表明：本系統(tǒng)能很好地對電池組進行實時動態(tài)監(jiān)控和有效保護，為電動汽車的電池智能化管理系統(tǒng)開發(fā)提供了應用價值。

　　磷酸鐵鋰電池作為新型電動汽車動力電池，具有容量大、安全性高、耐高溫特別是循環(huán)壽命長等優(yōu)點，其循環(huán)壽命比普通的鉛酸電池至少要高4 倍，在車用動力電池的市場中具有極大的應用潛力。在現(xiàn)階段動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）在電動車中的應用將顯得異常重要，它能夠實時檢測動力電池的電壓、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 能夠對電池的過充、過放電進行報警和保護，對電池組和單節(jié)電池進行有效保護，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、電流這類實時性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，通過LIN 總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的總線化傳輸，進一步降低了成本。

　　1 系統(tǒng)的總體結構與功能

　　在本設計中，電池管理系統(tǒng)分為兩大部分：信號檢測模塊、通信及信息處理模塊。在信號檢測模塊中，每節(jié)單體電池對應一個底層ECU（Dspic30F4012），可以實現(xiàn)單體電壓采集、電流檢測、溫度采樣；同時也能檢測整個電池組的電壓、電流和環(huán)境溫度，用于電池一般充電與均衡充電時的檢測與保護，如圖1 所示。

　　底層ECU 把檢測到的電壓、電流、溫度等變量封裝為LIN總線幀格式，然后通過LIN 總線與上層ECU 進行通信。信息處理模塊可以實現(xiàn)動力電池的荷電狀態(tài)實時估算和故障分析，并把溫度、電壓、電流等信息進行顯示。

　　2 電池管理系統(tǒng)設計

　　2.1 電池管理系統(tǒng)的基本硬件設計

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

　　2.1.1 信號采集模塊設計

　　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0.1 μF 的濾波電容即可使芯片工作，供電電路得到極大簡化。由于F4012 芯片內(nèi)不提供A/D 轉換的內(nèi)部基準電壓，因此在進行電壓檢測時，需要外部提供A/D 轉換基準電壓，本文選用低功耗、低電壓誤差的LM385 來提供2.5 V 的外部基準電壓，如圖2 所示。

　　本設計中電壓檢測模塊的特點是各個檢測模塊分別檢測各自單體電池上的電壓，而不是通過傳統(tǒng)的多路開關分時選擇的方法來實現(xiàn)，這樣就完全實現(xiàn)了純分布式的電池管理結構。磷酸鐵鋰電池的電壓直接從單體電池兩端引出電壓，然后通過兩個高精度的電阻進行分壓，分壓得到的電壓引入Dspic30f4012 芯片內(nèi)部的A/D 模擬信號轉換通道，進行電壓的檢測。Dspic30f4012 芯片內(nèi)的A/D 轉換器為10 位精度，基準電壓為2.5 V,所以電壓檢測模塊能夠檢測到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， 經(jīng)由信號衰減電路與抗共模電壓電路接入Dspic30f4012 芯片內(nèi)的A/D 轉換通道中完成電池組電壓的采集。

　　單體電池電流的檢測通過霍爾傳感器來實現(xiàn)，霍爾傳感器能輸出最高3 V 的電壓信號，可以直接接入到Dspic30f4012芯片內(nèi)的A/D 采樣通道中；電池的溫度的檢測通過TJ1047溫度檢測芯片來實現(xiàn)，TJ1047 溫度檢測芯片在-40 ℃和125 ℃時輸出電壓分別為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 轉換通道中，即可完成對電池溫度和環(huán)境溫度的采集。