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)檢測模塊,、通信及信息處理模塊,。在信號(hào)檢測模塊中，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、溫度采樣,；同時(shí)也能檢測整個(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)的檢測與保護(hù),，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(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)中電壓檢測模塊的特點(diǎn)是各個(gè)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(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,。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(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；電池的溫度的檢測通過TJ1047溫度檢測芯片來實(shí)現(xiàn),，TJ1047 溫度檢測芯片在-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,。

LIN 通信接口設(shè)計(jì) 

2.1.2 LIN 通信接口設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代汽車中總線技術(shù)越來越多的得到應(yīng)用,，CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為以分布式為基礎(chǔ)的車載電子網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向。CAN 總線作為高速傳輸總線具有速度快,、帶寬高,、功能多的突出特點(diǎn)，但其成本比較昂貴,；LIN 總線是一種低端總線,，但其在降低成本方面具有突出優(yōu)勢，適合對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度要求不高,、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的數(shù)據(jù)的傳輸,。因此，在不需要CAN 總線的帶寬和速度的場合下,，LIN 總線補(bǔ)充了CAN 總線引導(dǎo)的汽車多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有總線技術(shù),。電池的溫度、電流,、電壓檢測并不要求極高的實(shí)時(shí)性和總線速度,，因此LIN 總線能很好地契合電池管理系統(tǒng)的要求。

Dspic30f4012 芯片沒有LIN 總線的接口,，但具有SCI 通信接口,，本文選用TPIC1021 芯片作為SCI 與LIN 總線轉(zhuǎn)換的芯片，如圖3 所示,。SCI 通信引腳U1RX 與U1TX 經(jīng)過磁耦合隔離器件電氣隔離后,，分別接到LIN 驅(qū)動(dòng)器的LIN_RXD 和LIN_TXD,經(jīng)過轉(zhuǎn)換最后在LIN 引腳輸出LIN 總線信號(hào),。在底層控制器Dspic30f4012 和LIN 收發(fā)器TPIC1021 之間加上一個(gè)磁耦合隔離器件ADUM1201ARZ,用來提高電池組檢測系統(tǒng)通信的抗干擾能力和解決分布式檢測中"共地"產(chǎn)生短路的問題，有效地把各個(gè)檢測單元的電氣連接隔離開來,，同時(shí)也把底層電壓與上層LIN 總線隔離開來,。當(dāng)LIN 收發(fā)器作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要把圖3 中的J3 跳線用跳針短接,，用于從機(jī)節(jié)點(diǎn)時(shí)不要跳針短接,。

 

2.2 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)

ECU 中的軟件設(shè)計(jì)包括底層ECU 和上層ECU 軟件設(shè)計(jì)。底層ECU 的軟件設(shè)計(jì)主要包括電壓,、電流,、溫度的采集程序與采集結(jié)果的計(jì)算程序、數(shù)據(jù)通信程序,、中斷程序等,；上層ECU 的軟件設(shè)計(jì)主要包括SOC 估算程序、LIN 總線通信程序,、故障分析及報(bào)警程序,、電壓、電流,、溫度和荷電狀態(tài)等顯示程序,、時(shí)鐘程序、中斷程序等,。整個(gè)程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程方法來實(shí)現(xiàn),。上層ECU 的主程序流程圖如圖4 所示。

 

其中,，電池的電壓檢測包括單體電池電壓的檢測和電池組電壓的檢測,。當(dāng)單體電壓超限時(shí)，系統(tǒng)能夠判斷超限單體電池的編號(hào),，判斷單體電池是低電壓超限還是高電壓超限,，在顯示器上顯示并且有聲音報(bào)警。電池組電壓超限時(shí)程序能夠分析出是何種原因超限,，以此來進(jìn)入保護(hù)程序,。電池溫度的檢測包括單體電池溫度的檢測和環(huán)境溫度的檢測，當(dāng)溫度超限時(shí),，系統(tǒng)通過檢測到的數(shù)據(jù)能分析溫度超限的原因,，以此進(jìn)入保護(hù)程序,。電池的荷電狀態(tài)超限主要是指電池剩余電量過低,，繼續(xù)放電可能會(huì)影響電池的壽命。

2.2.2 LIN 通信的實(shí)現(xiàn)

LIN 協(xié)議是一種開放的總線協(xié)議,，一個(gè)完整的報(bào)文幀由報(bào)文頭和響應(yīng)組成,。每一次數(shù)據(jù)的傳送都由主機(jī)節(jié)點(diǎn)開始,，標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)通信過程報(bào)文幀的開始[3].

圖5 為5 號(hào)單體磷酸鐵鋰電池LIN 總線標(biāo)識(shí)符場，以此為例說明LIN 總線標(biāo)識(shí)符場的設(shè)定,。5 號(hào)單體電池ID 位為0101,所以此節(jié)單體電池的ID 為0x5,ID4,、ID5 設(shè)為01,即設(shè)定發(fā)送的數(shù)據(jù)場字節(jié)為4 個(gè)字節(jié)，通過前面的奇偶校驗(yàn)得到奇偶校驗(yàn)值為0,、1,如圖5 所示,。

 

由于各個(gè)信號(hào)的范圍不同，電壓,、電流,、溫度信號(hào)所用到的數(shù)據(jù)位數(shù)也不同，電壓的范圍在0~5 V 內(nèi),，電流在0~20 A內(nèi),，溫度在-40~125 ℃范圍內(nèi)，所以本文在數(shù)據(jù)場中用第1個(gè)字節(jié)和第4 個(gè)字節(jié)的低兩位,，共10 位來表示電壓,；用第2個(gè)字節(jié)和第4 個(gè)字節(jié)的中間4 位，共12 位來表示電流,；用第3 個(gè)字節(jié)和第4 個(gè)字節(jié)的高兩位,，共10 位來表示溫度。由于電壓,、電流,、溫度都精確到小數(shù)點(diǎn)后，在數(shù)據(jù)場中表示小數(shù)比較復(fù)雜,，本文用實(shí)際參數(shù)值的10 倍或100 倍在數(shù)據(jù)幀中表示,，如圖6 所示。

 

表1 為各單體電池所對(duì)應(yīng)的LIN 總線節(jié)點(diǎn)的ID 資源分配表,。

 

上層ECU作為LIN總線的主機(jī)節(jié)點(diǎn),，當(dāng)LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)向單體電池從機(jī)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，LIN 總線上將進(jìn)行從機(jī)節(jié)點(diǎn)到主機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,，此時(shí)LIN 主機(jī)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送報(bào)文幀頭,，總線上的LIN 從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀頭后，判斷是否與自己的ID 匹配,，若匹配發(fā)送報(bào)文幀響應(yīng),，LIN 主機(jī)節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀響應(yīng)，完成主機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求,。

2.2.3 電池SOC 的估算和運(yùn)行控制策略

在對(duì)SOC 進(jìn)行估算時(shí),，一個(gè)準(zhǔn)確和合適的模型是非常需要的，對(duì)于Kalman 濾波算法來說精確的SOC 的估算是建立在精確的電池模型的基礎(chǔ)上。Thevenin 模型是目前來說比較準(zhǔn)確的模型,，該模型對(duì)電池的外特性的描述采用電池電動(dòng)勢,、一個(gè)純電阻和一個(gè)容阻回路串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)，其電氣模型的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

 
式（1）中k 為k 時(shí)刻,，E（k）為電池端電壓,，V（k）是電池電動(dòng)勢，R1 是電池的歐姆內(nèi)阻,，R2 是電池的極化內(nèi)阻,，Uc 是電池的極化電壓，電容R2C 回路是用于模擬電池極化過程中的動(dòng)態(tài)特性,?？紤]到溫度影響的情況下，電池的電動(dòng)勢與荷電狀態(tài)有式（3）的關(guān)系：

 

式中：F【Soc(k)】 是電池與電動(dòng)勢的函數(shù)關(guān)系,， Soc(k）表示電池在不同溫度下電動(dòng)勢相對(duì)于參考條件下的變化量,。通過以上公式，在進(jìn)行離散化后得到狀態(tài)空間方程如下,。

 

狀態(tài)空間方程準(zhǔn)確地給出了系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù)矩陣A（K）,、B（K）、C（K）,、D（K）和常數(shù)矩陣W（K）,、V（K），基于以上方程及相關(guān)矩陣,，可以得到擴(kuò)展Kalman 濾波估算算式,。

 

擴(kuò)展Kalman 濾波算法由濾波器計(jì)算和濾波器增益計(jì)算兩部分組成：濾波器計(jì)算由式（6）~（8）完成，在k 時(shí)刻,，由式（7）利用（k-1）時(shí)刻的濾波結(jié)果得到SOC 的預(yù)測值,，再根據(jù)狀態(tài)空間方程（6）得到在k 時(shí)刻的狀態(tài)變量預(yù)測值V（K），并與實(shí)際測量值比較后得到預(yù)測誤差,，然后根據(jù)式（8）對(duì)狀態(tài)變量的預(yù)測值修正,，得到新的濾波結(jié)果。濾波器增益計(jì)算由式（9）~（11）完成,，式中Q和R 分別是噪聲W （k）和V （k）的方差陣,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)的底層ECU 的電路板如圖7 所示，每個(gè)單體電池上都會(huì)固定一塊底層ECU 的電路板,。

 
在不同的充電策略下來檢驗(yàn)電池管理系統(tǒng)的工作情況,，通過檢測電池組中各個(gè)單體電池的充放電電壓、電流,、溫度,、SOC 等參數(shù)，與實(shí)際值相比較來說明系統(tǒng)的檢測精度，如圖8所示,，其中數(shù)據(jù)每分鐘記錄一次，橫坐標(biāo)為時(shí)間min.

 
本設(shè)計(jì)設(shè)定充放電時(shí)電壓上限為3.65 V,電壓下限為2.95 V.溫度報(bào)警為上限80 ℃,。實(shí)驗(yàn)對(duì)電池進(jìn)行充電,，最終充電電壓均在3.53~3.62 V,充電過程最大偏差50 mV,其中電池電壓誤差小于1%要求；此外,，溫度測量誤差滿足1%要求,，電流測量精度為1%,SOC 誤差在8%以內(nèi)。當(dāng)對(duì)單體電池實(shí)施人為過電壓時(shí),，系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警和顯示,。通過實(shí)驗(yàn)表明本電池管理系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期的電池參數(shù)檢測的目標(biāo)，且都能滿足精度要求,。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng),，基于分布式方法檢測各個(gè)單體電池的參數(shù)，引入了LIN 總線技術(shù),，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的成本,。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電池實(shí)時(shí)監(jiān)測與保護(hù)、SOC 估算,、LIN 總線通信等功能,。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度較高,、能有效地保護(hù)電池組,，用LIN 總線代替常用的CAN 或RS232 通信，為設(shè)計(jì)新型電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)提供了重要依據(jù),。