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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(diǎn)，其循環(huán)壽命比普通的鉛酸電池至少要高4 倍，在車用動力電池的市場中具有極大的應(yīng)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(yīng)用將顯得異常重要，它能夠?qū)崟r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?qū)﹄姵氐倪^充、過放電進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)，對電池組和單節(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(yīng)一個底層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(hù)，如圖1 所示。
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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)動力電池的荷電狀態(tài)實(shí)時估算和故障分析，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。
2.1.1 信號采集模塊設(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，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。
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本設(shè)計(jì)中電壓檢測模塊的特點(diǎn)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(guān)分時選擇的方法來實(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，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，即可完成對電池溫度和環(huán)境溫度的采集。
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，適合對網(wǎng)絡(luò)速度要求不高、實(shí)時性不強(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，有效地把各個檢測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(diǎn)時，需要把圖3 中的J3 跳線用跳針短接，用于從機(jī)節(jié)點(diǎn)時不要跳針短接。
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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、時鐘程序、中斷程序等。整個程序設(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。
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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，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(bào)警。電池組電壓超限時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，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 號單體磷酸鐵鋰電池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(yàn)得到奇偶校驗(yàn)值為0、1,如圖5 所示。
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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0~5 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。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。
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表1 為各單體電池所對應(yīng)的LIN 總線節(jié)點(diǎn)的ID 資源分配表。
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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)請求數(shù)據(jù)時，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)接收報(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)接收報(bào)文幀響應(yīng)，完成主機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求。
2.2.3 電池SOC 的估算和運(yùn)行控制策略
在對SOC 進(jìn)行估算時，一個準(zhǔn)確和合適的模型是非常需要的，對于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)的方法來實(shí)現(xiàn)，其電氣模型的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
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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：
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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對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。
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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。
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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，再根據(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(shí)際測量值比較后得到預(yù)測誤差， 然后根據(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(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，每個單體電池上都會固定一塊底層ECU 的電路板。
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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)為時間min.
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本設(shè)計(jì)設(shè)定充放電時電壓上限為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)對單體電池實(shí)施人為過電壓時，系統(tǒng)能及時進(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)新型電動汽車電池管理系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。
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