本文提出了一種基于LIN 總線(xiàn)的磷酸鐵鋰電池組在線(xiàn)監測和管理系統。該系統采用分布式的網(wǎng)絡(luò )控制結構，通過(guò)以Dspic30f4012 芯片為核心底層硬件的設計，實(shí)現了對磷酸鐵鋰電池參數的精確監測，通過(guò)LIN 總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現數據的傳輸，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(jìn)行估算，提高了估算精度。實(shí)驗結果表明：本系統能很好地對電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監控和有效保護，為電動(dòng)汽車(chē)的電池智能化管理系統開(kāi)發(fā)提供了應用價(jià)值。
　　
　　磷酸鐵鋰電池作為新型電動(dòng)汽車(chē)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(cháng)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(chē)用動(dòng)力電池的市場(chǎng)中具有極大的應用潛力。在現階段動(dòng)力電池的容量沒(méi)有根本性突破的情況下，電池管理系統（battery management system，BMS）在電動(dòng)車(chē)中的應用將顯得異常重要，它能夠實(shí)時(shí)檢測動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度，并通過(guò)這些參數估算電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），為駕駛員提供車(chē)輛續駛里程參考；此外BMS 能夠對電池的過(guò)充、過(guò)放電進(jìn)行報警和保護，對電池組和單節電池進(jìn)行有效保護，從而提升電池使用性能、提高電池壽命。LIN 總線(xiàn)是一種低成本的汽車(chē)A 類(lèi)總線(xiàn)，非常適合溫度、電流這類(lèi)實(shí)時(shí)性要求不高的數據傳輸，通過(guò)LIN 總線(xiàn)實(shí)現數據的總線(xiàn)化傳輸，進(jìn)一步降低了成本。
 
　　1 系統的總體結構與功能
 
　　在本設計中，電池管理系統分為兩大部分：信號檢測模塊、通信及信息處理模塊。在信號檢測模塊中，每節單體電池對應一個(gè)底層ECU（Dspic30f4012），可以實(shí)現單體電壓采集、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，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L(cháng)IN總線(xiàn)幀格式，然后通過(guò)LIN 總線(xiàn)與上層ECU 進(jìn)行通信。信息處理模塊可以實(shí)現動(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 電池管理系統設計
 
　　2.1 電池管理系統的基本硬件設計
 
　　由于電池組的單體數目比較多，本系統采用分布式結構，這種結構能有效減少采樣線(xiàn)穿越電池，降低安裝和調試的復雜性，同時(shí)也能降低安全隱患。底層ECU 使用Dspic30f4012芯片，它能在-40~125 ℃溫度范圍內工作，屬于汽車(chē)級芯片；它具有豐富的模擬量、數字量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 芯片內不提供A/D 轉換的內部基準電壓，因此在進(jìn)行電壓檢測時(shí)，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(lái)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(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(guò)傳統的多路開(kāi)關(guān)分時(shí)選擇的方法來(lái)實(shí)現，這樣就完全實(shí)現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(guò)兩個(gè)高精度的電阻進(jìn)行分壓，分壓得到的電壓引入Dspic30f4012 芯片內部的A/D 模擬信號轉換通道，進(jìn)行電壓的檢測。Dspic30f4012 芯片內的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(guò)霍爾傳感器來(lái)實(shí)現，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芯片內的A/D 采樣通道中；電池的溫度的檢測通過(guò)TJ1047溫度檢測芯片來(lái)實(shí)現，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。
 
　　2.1.2 LIN 通信接口設計
 
　　在現代汽車(chē)中總線(xiàn)技術(shù)越來(lái)越多的得到應用，CAN/LIN網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成為以分布式為基礎的車(chē)載電子網(wǎng)絡(luò )的主流發(fā)展方向。CAN 總線(xiàn)作為高速傳輸總線(xiàn)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(xiàn)是一種低端總線(xiàn)，但其在降低成本方面具有突出優(yōu)勢，適合對網(wǎng)絡(luò )速度要求不高、實(shí)時(shí)性不強的數據的傳輸。因此，在不需要CAN 總線(xiàn)的帶寬和速度的場(chǎng)合下，LIN 總線(xiàn)補充了CAN 總線(xiàn)引導的汽車(chē)多路復用網(wǎng)絡(luò )的現有總線(xiàn)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(xiàn)速度，因此LIN 總線(xiàn)能很好地契合電池管理系統的要求。
 
　　Dspic30f4012 芯片沒(méi)有LIN 總線(xiàn)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(xiàn)轉換的芯片，如圖3 所示。SCI 通信引腳U1RX 與U1TX 經(jīng)過(guò)磁耦合隔離器件電氣隔離后，分別接到LIN 驅動(dòng)器的LIN_RXD 和LIN_TXD，經(jīng)過(guò)轉換最后在LIN 引腳輸出LIN 總線(xiàn)信號。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(lái)提高電池組檢測系統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(wèn)題，有效地把各個(gè)檢測單元的電氣連接隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)也把底層電壓與上層LIN 總線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。當LIN 收發(fā)器作為主機節點(diǎn)時(shí)，需要把圖3 中的J3 跳線(xiàn)用跳針短接，用于從機節點(diǎn)時(shí)不要跳針短接。

　　
2.2 電池管理系統軟件設計

　　2.2.1 電池管理系統的軟件設計和總體結構

　　ECU 中的軟件設計包括底層ECU 和上層ECU 軟件設計。底層ECU 的軟件設計主要包括電壓、電流、溫度的采集程序與采集結果的計算程序、數據通信程序、中斷程序等；上層ECU 的軟件設計主要包括SOC 估算程序、LIN 總線(xiàn)通信程序、故障分析及報警程序、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)程序設計采用結構化和模塊化的編程方法來(lái)實(shí)現。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。當單體電壓超限時(shí)，系統能夠判斷超限單體電池的編號，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(lái)進(jìn)入保護程序。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，當溫度超限時(shí)，系統通過(guò)檢測到的數據能分析溫度超限的原因，以此進(jìn)入保護程序。電池的荷電狀態(tài)超限主要是指電池剩余電量過(guò)低，繼續放電可能會(huì )影響電池的壽命。

　　2.2.2 LIN 通信的實(shí)現

　　LIN 協(xié)議是一種開(kāi)放的總線(xiàn)協(xié)議，一個(gè)完整的報文幀由報文頭和響應組成。每一次數據的傳送都由主機節點(diǎn)開(kāi)始，標志著(zhù)一次數據通信過(guò)程報文幀的開(kāi)始［3］。

　　圖5 為5 號單體磷酸鐵鋰電池LIN 總線(xiàn)標識符場(chǎng)，以此為例說(shuō)明LIN 總線(xiàn)標識符場(chǎng)的設定。5 號單體電池ID 位為0101，所以此節單體電池的ID 為0x5，ID4、ID5 設為01，即設定發(fā)送的數據場(chǎng)字節為4 個(gè)字節，通過(guò)前面的奇偶校驗得到奇偶校驗值為0、1，如圖5 所示。
　　
　　由于各個(gè)信號的范圍不同，電壓、電流、溫度信號所用到的數據位數也不同，電壓的范圍在0~5 V 內，電流在0~20 A內，溫度在-40~125 ℃范圍內，所以本文在數據場(chǎng)中用第1個(gè)字節和第4 個(gè)字節的低兩位，共10 位來(lái)表示電壓；用第2個(gè)字節和第4 個(gè)字節的中間4 位，共12 位來(lái)表示電流；用第3 個(gè)字節和第4 個(gè)字節的高兩位，共10 位來(lái)表示溫度。由于電壓、電流、溫度都精確到小數點(diǎn)后，在數據場(chǎng)中表示小數比較復雜，本文用實(shí)際參數值的10 倍或100 倍在數據幀中表示，如圖6 所示。
　　
　　表1 為各單體電池所對應的LIN 總線(xiàn)節點(diǎn)的ID 資源分配表。
　　
　　上層ECU作為L(cháng)IN總線(xiàn)的主機節點(diǎn)，當LIN主機節點(diǎn)向單體電池從機節點(diǎn)請求數據時(shí)，LIN 總線(xiàn)上將進(jìn)行從機節點(diǎn)到主機節點(diǎn)的數據傳輸，此時(shí)LIN 主機節點(diǎn)向總線(xiàn)發(fā)送報文幀頭，總線(xiàn)上的LIN 從機節點(diǎn)接收報文幀頭后，判斷是否與自己的ID 匹配，若匹配發(fā)送報文幀響應，LIN 主機節點(diǎn)接收報文幀響應，完成主機節點(diǎn)的數據請求。

　　2.2.3 電池SOC 的估算和運行控制策略

　　在對SOC 進(jìn)行估算時(shí)，一個(gè)準確和合適的模型是非常需要的，對于Kalman 濾波算法來(lái)說(shuō)精確的SOC 的估算是建立在精確的電池模型的基礎上。Thevenin 模型是目前來(lái)說(shuō)比較準確的模型，該模型對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(lái)實(shí)現，其電氣模型的數學(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 是電池的歐姆內阻，R2 是電池的極化內阻，Uc 是電池的極化電壓，電容R2C 回路是用于模擬電池極化過(guò)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)勢的函數關(guān)系， Soc（k）表示電池在不同溫度下電動(dòng)勢相對于參考條件下的變化量。通過(guò)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)空間方程準確地給出了系統相關(guān)的系數矩陣A（K）、B（K）、C（K）、D（K）和常數矩陣W（K）、V（K），基于以上方程及相關(guān)矩陣，可以得到擴展Kalman 濾波估算算式。
　　
　　擴展Kalman 濾波算法由濾波器計算和濾波器增益計算兩部分組成：濾波器計算由式（6）~（8）完成，在k 時(shí)刻，由式（7）利用（k-1）時(shí)刻的濾波結果得到SOC 的預測值，再根據狀態(tài)空間方程（6）得到在k 時(shí)刻的狀態(tài)變量預測值V（K），并與實(shí)際測量值比較后得到預測誤差，然后根據式（8）對狀態(tài)變量的預測值修正，得到新的濾波結果。濾波器增益計算由式（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)驗結果分析

　　本設計的底層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(lái)檢驗電池管理系統的工作情況，通過(guò)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，與實(shí)際值相比較來(lái)說(shuō)明系統的檢測精度，如圖8所示，其中數據每分鐘記錄一次，橫坐標為時(shí)間min.
　　

　　本設計設定充放電時(shí)電壓上限為3.65 V，電壓下限為2.95 V.溫度報警為上限80 ℃。實(shí)驗對電池進(jìn)行充電，最終充電電壓均在3.53~3.62 V，充電過(guò)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(mǎn)足1%要求，電流測量精度為1%，SOC 誤差在8%以?xún)�。當對單體電池實(shí)施人為過(guò)電壓時(shí)，系統能及時(shí)進(jìn)行報警和顯示。通過(guò)實(shí)驗表明本電池管理系統能達到預期的電池參數檢測的目標，且都能滿(mǎn)足精度要求。

　　4 結論

　　本文設計開(kāi)發(fā)了一種磷酸鐵鋰電池管理系統，基于分布式方法檢測各個(gè)單體電池的參數，引入了LIN 總線(xiàn)技術(shù)，進(jìn)一步降低了系統的成本。本系統實(shí)現了電池實(shí)時(shí)監測與保護、SOC 估算、LIN 總線(xiàn)通信等功能。該系統結構簡(jiǎn)單、測量精度較高、能有效地保護電池組，用LIN 總線(xiàn)代替常用的CAN 或RS232 通信，為設計新型電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統提供了重要依據。