钜大LARGE | 点击量：581次 | 2022年04月08日
基于LIN总线的纯电动汽车锂离子电池管理系统设计
磷酸铁锂离子电池作为新型电动汽车动力锂电池，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，在车用动力锂电池的市场中具有极大的应用潜力。在现阶段动力锂电池的容量没有根本性突破的情况下，电池管理系统（batterymanagementsystem,BMS）在电动汽车中的应用将显得异常重要，它能够实时检测动力锂电池的电压、电流、温度，并通过这些参数估算电池的荷电状态（stateofcharge,SOC），为驾驶员供应车辆续驶里程参考；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锂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
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
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2.5~5.5V范围的宽工作电压，因而可以用单节磷酸铁锂离子电池直接供电，只要加一个0.1F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芯片内不供应A/D转换的内部基准电压，因此在进行电压检测时，要外部供应A/D转换基准电压，本文选用低功耗、低电压误差的LM385来供应2.5V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。磷酸铁锂离子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2.5V,所以电压检测模块能够检测到0~5V的电压范围，大于单体电池的最大电压3.65V.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3V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0.5V和1.75V,并且具有10mV/℃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。
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