基于LIN总线的纯电动车电池管理系统设计

　　本文提出了一种基于LIN 总线的磷酸铁锂电池组在线监测和管理系统。该系统采用分布式的网络控制结构，通过以Dspic30f4012 芯片为核心底层硬件的设计，实现了对磷酸铁锂电池参数的精确监测，通过LIN 总线技术实现数据的传输，并基于较精确的电池模型基础上采用扩展Kalman 算法对电池荷电状态（SOC）进行估算，提高了估算精度。实验结果表明：本系统能很好地对电池组进行实时动态监控和有效保护，为电动汽车的电池智能化管理系统开发提供了应用价值。

　　

　　磷酸铁锂电池作为新型电动汽车动力电池，具有容量大、安全性高、耐高温特别是循环寿命长等优点，其循环寿命比普通的铅酸电池至少要高4 倍，在车用动力电池的市场中具有极大的应用潜力。在现阶段动力电池的容量没有根本性突破的情况下，电池管理系统（battery management system，BMS）在电动车中的应用将显得异常重要，它能够实时检测动力电池的电压、电流、温度，并通过这些参数估算电池的荷电状态（state of charge，SOC），为驾驶员提供车辆续驶里程参考；此外BMS 能够对电池的过充、过放电进行报警和保护，对电池组和单节电池进行有效保护，从而提升电池使用性能、提高电池寿命。LIN 总线是一种低成本的汽车A 类总线，非常适合温度、电流这类实时性要求不高的数据传输，通过LIN 总线实现数据的总线化传输，进一步降低了成本。

　　1 系统的总体结构与功能

　　在本设计中，电池管理系统分为两大部分：信号检测模块、通信及信息处理模块。在信号检测模块中，每节单体电池对应一个底层ECU（Dspic30f4012），可以实现单体电压采集、电流检测、温度采样；同时也能检测整个电池组的电压、电流和环境温度，用于电池一般充电与均衡充电时的检测与保护，如图1 所示。

　　

　　底层ECU 把检测到的电压、电流、温度等变量封装为LIN总线帧格式，然后通过LIN 总线与上层ECU 进行通信。信息处理模块可以实现动力电池的荷电状态实时估算和故障分析，并把温度、电压、电流等信息进行显示。

　　2 电池管理系统设计

　　2.1 电池管理系统的基本硬件设计

　　由于电池组的单体数目比较多，本系统采用分布式结构，这种结构能有效减少采样线穿越电池，降低安装和调试的复杂性，同时也能降低安全隐患。底层ECU 使用Dspic30f4012芯片，它能在-40~125 ℃温度范围内工作，属于汽车级芯片；它具有丰富的模拟量、数字量I/O 接口、10 位A/D 转换功能以及SCI 通信功能等。

　　2.1.1 信号采集模块设计

　　Dspic30f4012 具有2.5~5.5 V 范围的宽工作电压，因而可以用单节磷酸铁锂电池直接供电，只需要加一个0.1 μF 的滤波电容即可使芯片工作，供电电路得到极大简化。由于F4012 芯片内不提供A/D 转换的内部基准电压，因此在进行电压检测时，需要外部提供A/D 转换基准电压，本文选用低功耗、低电压误差的LM385 来提供2.5 V 的外部基准电压，如图2 所示。

　　

　　本设计中电压检测模块的特点是各个检测模块分别检测各自单体电池上的电压，而不是通过传统的多路开关分时选择的方法来实现，这样就完全实现了纯分布式的电池管理结构。磷酸铁锂电池的电压直接从单体电池两端引出电压，然后通过两个高精度的电阻进行分压，分压得到的电压引入Dspic30f4012 芯片内部的A/D 模拟信号转换通道，进行电压的检测。Dspic30f4012 芯片内的A/D 转换器为10 位精度，基准电压为2.5 V，所以电压检测模块能够检测到0~5 V 的电压范围，大于单体电池的最大电压3.65 V.电池组的总电压的检测， 经由信号衰减电路与抗共模电压电路接入Dspic30f4012 芯片内的A/D 转换通道中完成电池组电压的采集。

　　单体电池电流的检测通过霍尔传感器来实现，霍尔传感器能输出最高3 V 的电压信号，可以直接接入到Dspic30f4012芯片内的A/D 采样通道中；电池的温度的检测通过TJ1047温度检测芯片来实现，TJ1047 温度检测芯片在-40 ℃和125 ℃时输出电压分别为0.5 V 和1.75 V，并且具有10 mV/℃的温度电压比例特性和±0.5 ℃的误差。因此从TJ1047 芯片输出的电压可以直接接入Dspic30f4012 芯片内的A/D 转换通道中，即可完成对电池温度和环境温度的采集。

　　2.1.2 LIN 通信接口设计

　　在现代汽车中总线技术越来越多的得到应用，CAN/LIN网络已经成为以分布式为基础的车载电子网络的主流发展方向。CAN 总线作为高速传输总线具有速度快、带宽高、功能多的突出特点，但其成本比较昂贵；LIN 总线是一种低端总线，但其在降低成本方面具有突出优势，适合对网络速度要求不高、实时性不强的数据的传输。因此，在不需要CAN 总线的带宽和速度的场合下，LIN 总线补充了CAN 总线引导的汽车多路复用网络的现有总线技术。电池的温度、电流、电压检测并不要求极高的实时性和总线速度，因此LIN 总线能很好地契合电池管理系统的要求。

　　Dspic30f4012 芯片没有LIN 总线的接口，但具有SCI 通信接口，本文选用TPIC1021 芯片作为SCI 与LIN 总线转换的芯片，如图3 所示。SCI 通信引脚U1RX 与U1TX 经过磁耦合隔离器件电气隔离后，分别接到LIN 驱动器的LIN_RXD 和LIN_TXD，经过转换最后在LIN 引脚输出LIN 总线信号。在底层控制器Dspic30f4012 和LIN 收发器TPIC1021 之间加上一个磁耦合隔离器件ADUM1201ARZ，用来提高电池组检测系统通信的抗干扰能力和解决分布式检测中“共地”产生短路的问题，有效地把各个检测单元的电气连接隔离开来，同时也把底层电压与上层LIN 总线隔离开来。当LIN 收发器作为主机节点时，需要把图3 中的J3 跳线用跳针短接，用于从机节点时不要跳针短接。