鉅大LARGE | 點擊量：811次 | 2021年08月08日
基于LIN 總線的磷酸鐵鋰離子電池包在線監(jiān)測和管理系統(tǒng)電路分解
磷酸鐵鋰離子電池作為新型電動汽車動力鋰離子電池，具有容量大、安全性高、耐高溫特別是循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，其循環(huán)壽命比一般的鉛酸蓄電池至少要高4倍，在車用動力鋰離子電池的市場中具有極大的使用潛力。在現(xiàn)階段動力鋰離子電池的容量沒有根本性沖破的情況下，電池管理系統(tǒng)（batterymanagementsystem，bMS）在電動汽車中的使用將顯得異常緊要，它能夠?qū)崟r測試動力鋰離子電池的電壓、電流、溫度，并通過這些參數(shù)估算電池的荷電狀態(tài)（stateofcharge，SOC），為駕駛員供應(yīng)車輛續(xù)駛里程參考；此外bMS能夠?qū)﹄姵氐倪^充、過放電進(jìn)行報警和保護(hù)，對電池包和單節(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(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)計中，電池管理系統(tǒng)分為兩大部分：信號測試模塊、通信及信息解決模塊。在信號測試模塊中，每節(jié)單體電池對應(yīng)一個底層ECU（Dspic30f4012），可以實現(xiàn)單體電壓采集、電流測試、溫度采樣；同時也能測試整個電池包的電壓、電流和環(huán)境溫度，用于電池一般充電與均衡充電時的測試與保護(hù)，如圖1所示。
底層ECU把測試到的電壓、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。信息解決模塊可以實現(xiàn)動力鋰離子電池的荷電狀態(tài)實時估算和故障分解，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
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2.1電池管理系統(tǒng)的基本硬件設(shè)計
由于電池包的單體數(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(zhuǎn)換功能以及SCI通信功能等。
2.1.1LIN通信接口設(shè)計
在現(xiàn)代汽車中總線技術(shù)越來越多的得到使用，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，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)點，適合對網(wǎng)絡(luò)速度要求不高、實時性不強(qiáng)的數(shù)據(jù)的傳輸。因此，在不要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、電壓測試并不要求極高的實時性和總線速度，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。在底層控制器Dspic30f4012和LIN收發(fā)器TpIC1021之間加上一個磁耦合隔離器件ADUM1201ARZ，用來提高電池包測試系統(tǒng)通信的抗干擾能力和處理分布式測試中“共地”出現(xiàn)短路的問題，有效地把各個測試單元的電氣連接隔離開來，同時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)點時，要把圖3中的J3跳線用跳針短接，用于從機(jī)節(jié)點時不要跳針短接。
2.1.2信號采集模塊設(shè)計
Dspic30f4012具有2.5~5.5V范圍的寬工作電壓，因而可以用單節(jié)磷酸鐵鋰離子電池筆直供電，只要加一個0.1μF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)不供應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，因此在進(jìn)行電壓測試時，要外部供應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，本文選用低功耗、低電壓誤差的LM385來供應(yīng)2.5V的外部基準(zhǔn)電壓，如圖2所示。
本設(shè)計中電壓測試模塊的特點是各個測試模塊分別測試各自單體電池上的電壓，而不是通過傳統(tǒng)的多路開關(guān)分時選擇的辦法來實現(xiàn)，這樣就完全實現(xiàn)了純分布式的電池管理結(jié)構(gòu)。磷酸鐵鋰離子電池的電壓筆直從單體電池兩端引出電壓，然后通過兩個高精度的電阻進(jìn)行分壓，分壓得到的電壓引入Dspic30f4012芯片內(nèi)部的A/D模擬信號轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行電壓的測試。Dspic30f4012芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器為10位精度，基準(zhǔn)電壓為2.5V，所以電壓測試模塊能夠測試到0~5V的電壓范圍，大于單體電池的最大電壓3.65V.電池包的總電壓的測試，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(zhuǎn)換通道中完成電池包電壓的采集。
單體電池電流的測試通過霍爾傳感器來實現(xiàn)，霍爾傳感器能輸出最高3V的電壓信號，可以筆直接入到Dspic30f4012芯片內(nèi)的A/D采樣通道中；電池的溫度的測試通過TJ1047溫度測試芯片來實現(xiàn)，TJ1047溫度測試芯片在-40℃和125℃時輸出電壓分別為0.5V和1.75V，并且具有10mV/℃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筆直接入Dspic30f4012芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換通道中，即可完成對電池溫度和環(huán)境溫度的采集。
2.2電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.2.1電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)
ECU中的軟件設(shè)計包括底層ECU和上層ECU軟件設(shè)計。底層ECU的軟件設(shè)計緊要包括電壓、電流、溫度的采集程序與采集結(jié)果的計算程序、數(shù)據(jù)通信程序、中斷程序等；上層ECU的軟件設(shè)計緊要包括SOC估算程序、LIN總線通信程序、故障分解及報警程序、電壓、電流、溫度和荷電狀態(tài)等顯示程序、時鐘程序、中斷程序等。整個程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程辦法來實現(xiàn)。上層ECU的主程序流程圖如圖4所示。
其中，電池的電壓測試包括單體電池電壓的測試和電池包電壓的測試。當(dāng)單體電壓超限時，系統(tǒng)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。電池包電壓超限時程序能夠分解出是何種原由超限，以此來進(jìn)入保護(hù)程序。電池溫度的測試包括單體電池溫度的測試和環(huán)境溫度的測試，當(dāng)溫度超限時，系統(tǒng)通過測試到的數(shù)據(jù)能分解溫度超限的原由，以此進(jìn)入保護(hù)程序。電池的荷電狀態(tài)超限緊要是指電池剩余電量過低，持續(xù)放電可能會影響電池的壽命。
2.2.2LIN通信的實現(xiàn)
LIN協(xié)議是一種開放的總線協(xié)議，一個完整的報文幀由報文頭和應(yīng)和組成。每一次數(shù)據(jù)的傳送都由主機(jī)節(jié)點開始，標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)通信過程報文幀的開始［3］。
圖5為5號單體磷酸鐵鋰離子電池LIN總線標(biāo)識符場，以此為例說明LIN總線標(biāo)識符場的設(shè)定。5號單體電池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個字節(jié)，通過前面的奇偶校驗得到奇偶校驗值為0、1。
由于各個信號的范圍不同，電壓、電流、溫度信號所用到的數(shù)據(jù)位數(shù)也不同，電壓的范圍在0~5V內(nèi)，電流在0~20A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個字節(jié)和第4個字節(jié)的低兩位，共10位來表示電壓；用第2個字節(jié)和第4個字節(jié)的中間4位，共12位來表示電流；用第3個字節(jié)和第4個字節(jié)的高兩位，共10位來表示溫度。
上層ECU作為LIN總線的主機(jī)節(jié)點，當(dāng)LIN主機(jī)節(jié)點向單體電池從機(jī)節(jié)點祈求數(shù)據(jù)時，LIN總線上將進(jìn)行從機(jī)節(jié)點到主機(jī)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，此時LIN主機(jī)節(jié)點向總線發(fā)送報文幀頭，總線上的LIN從機(jī)節(jié)點接收報文幀頭后，判斷是不是與自己的ID匹配，若匹配發(fā)送報文幀應(yīng)和，LIN主機(jī)節(jié)點接收報文幀應(yīng)和，完成主機(jī)節(jié)點的數(shù)據(jù)祈求。
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，一個準(zhǔn)確和適宜的模型是非常要的，有關(guān)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，該模型對電池的外特性的描述采用電池電動勢、一個純電阻和一個容阻回路串聯(lián)的辦法來實現(xiàn)，其電氣模型的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
式（1）中k為k時刻，E（k）為電池端電壓，V（k）是電池電動勢，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態(tài)特性?？紤]到溫度影響的情況下，電池的電動勢與荷電狀態(tài)有式（3）的關(guān)系：
式中：F【Soc（k）】是電池與電動勢的函數(shù)關(guān)系，Soc（k）表示電池在不同溫度下電動勢相有關(guān)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時刻，由式（7）利用（k-1）時刻的濾波結(jié)果得到SOC的預(yù)測值，再依據(jù)狀態(tài)空間方程（6）得到在k時刻的狀態(tài)變量預(yù)測值V（K），并與實際測量值比較后得到預(yù)測誤差，然后依據(jù)式（8）對狀態(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試驗結(jié)果分解
本設(shè)計的底層ECU的電路板如圖7所示，每個單體電池上都會固定一塊底層ECU的電路板。
在不同的充電策略下來檢驗電池管理系統(tǒng)的工作情況，通過測試電池包中各個單體電池的充放電電壓、電流、溫度、SOC等參數(shù)，與實際值相比較來說明系統(tǒng)的測試精度，如圖8所示，其中數(shù)據(jù)每分鐘記錄一次，橫坐標(biāo)為時間min.
本設(shè)計設(shè)定充放電時電壓上限為3.65V，電壓下限為2.95V.溫度報警為上限80℃。試驗對電池進(jìn)行充電，最終充電電壓均在3.53~3.62V，充電過程最大偏差50mV，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)對單體電池執(zhí)行人為過電壓時，系統(tǒng)能及時進(jìn)行報警和顯示。通過試驗聲明本電池管理系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期的電池參數(shù)測試的目標(biāo)，且都能滿足精度要求。
4結(jié)論
本文設(shè)計開發(fā)了一種磷酸鐵鋰離子電池管理系統(tǒng)，基于分布式辦法測試各個單體電池的參數(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)實現(xiàn)了電池實時監(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)電池包，用LIN總線代替常用的CAN或RS232通信，為設(shè)計新型電動汽車電池管理系統(tǒng)供應(yīng)了緊要根據(jù)。
