本文提出了一种依据LIN 总线的磷酸铁锂电池组在线监测和办理体系。该体系选用分布式的网络操控结构，经过以Dspic30f4012 芯片为中心底层硬件的规划，完结了对磷酸铁锂电池参数的精确监测，经过LIN 总线技能完结数据的传输，并依据较精确的电池模型根底上选用扩展Kalman 算法对电池荷电状况（SOC）进行预算，进步了预算精度。试验成果标明：本体系能很好地对电池组进行实时动态监控和有用维护，为电动轿车的电池智能化办理体系开发供给了运用价值。
磷酸铁锂电池作为新式电动轿车动力电池，具有容量大、安全性高、耐高温特别是循环寿数长等长处，其循环寿数比一般的铅酸电池至少要高4 倍，在车用动力电池的商场中具有极大的运用潜力。在现阶段动力电池的容量没有根本性打破的情况下，电池办理体系（battery management system，BMS）在电动车中的运用将显得反常重要，它能够实时检测动力电池的电压、电流、温度，并经过这些参数预算电池的荷电状况（state of charge，SOC），为驾驶员供给车辆续驶路程参阅；此外BMS 能够对电池的过充、过放电进行报警和维护，对电池组和单节电池进行有用维护，然后进步电池运用性能、进步电池寿数。LIN 总线是一种低本钱的轿车A 类总线，十分适宜温度、电流这类实时性要求不高的数据传输，经过LIN 总线完结数据的总线化传输，进一步下降了本钱。
1 体系的整体结构与功用
在本规划中，电池办理体系分为两大部分：信号检测模块、通讯及信息处理模块。在信号检测模块中，每节单体电池对应一个底层ECU（Dspic30f4012），能够完结单体电压收集、电流检测、温度采样；一起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维护，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总线帧格局，然后经过LIN 总线与上层ECU 进行通讯。信息处理模块能够完结动力电池的荷电状况实时预算和毛病剖析，并把温度、电压、电流等信息进行显现。
2 电池办理体系规划
2.1 电池办理体系的根本硬件规划
因为电池组的单体数目比较多，本体系选用分布式结构，这种结构能有用削减采样线穿越电池，下降装置和调试的复杂性，一起也能下降安全隐患。底层ECU 运用Dspic30f4012芯片，它能在-40~125 ℃温度规模内作业，归于轿车级芯片；它具有丰厚的模仿量、数字量I/O 接口、10 位A/D 转化功用以及SCI 通讯功用等。
2.1.1 信号收集模块规划
Dspic30f4012 具有2.5~5.5 V 规模的宽作业电压，因而能够用单节磷酸铁锂电池直接供电，只需求加一个0.1 μF 的滤波电容即可使芯片作业，供电电路得到极大简化。因为F4012 芯片内不供给A/D 转化的内部基准电压，因而在进行电压检测时，需求外部供给A/D 转化基准电压，本文选用低功耗、低电压差错的LM385 来供给2.5 V 的外部基准电压，如图2 所示。
本规划中电压检测模块的特色是各个检测模块别离检测各自单体电池上的电压，而不是经过传统的多路开关分时挑选的办法来完结，这样就彻底完结了纯分布式的电池办理结构。磷酸铁锂电池的电压直接从单体电池两头引出电压，然后经过两个高精度的电阻进行分压，分压得到的电压引进Dspic30f4012 芯片内部的A/D 模仿信号转化通道，进行电压的检测。Dspic30f4012 芯片内的A/D 转化器为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 的电压规模，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 转化通道中完结电池组电压的收集。
单体电池电流的检测经过霍尔传感器来完结，霍尔传感器能输出最高3 V 的电压信号，能够直接接入到Dspic30f4012芯片内的A/D 采样通道中；电池的温度的检测经过TJ1047温度检测芯片来完结，TJ1047 温度检测芯片在-40 ℃和125 ℃时输出电压别离为0.5 V 和1.75 V，而且具有10 mV/℃的温度电压份额特性和±0.5 ℃的差错。因而从TJ1047 芯片输出的电压能够直接接入Dspic30f4012 芯片内的A/D 转化通道中，即可完结对电池温度和环境温度的收集。
2.1.2 LIN 通讯接口规划
在现代轿车中总线技能越来越多的得到运用，CAN/LIN网络已经成为以分布式为根底的车载电子网络的干流发展方向。CAN 总线作为高速传输总线具有速度快、带宽高、功用多的杰出特色，但其本钱比较贵重；LIN 总线是一种低端总线，但其在下降本钱方面具有杰出优势，适宜对网络速度要求不高、实时性不强的数据的传输。因而，在不需求CAN 总线的带宽和速度的场合下，LIN 总线弥补了CAN 总线引导的轿车多路复用网络的现有总线技能。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，因而LIN 总线能很好地符合电池办理体系的要求。
Dspic30f4012 芯片没有LIN 总线的接口，但具有SCI 通讯接口，本文选用TPIC1021 芯片作为SCI 与LIN 总线转化的芯片，如图3 所示。SCI 通讯引脚U1RX 与U1TX 经过磁耦合阻隔器材电气阻隔后，别离接到LIN 驱动器的LIN_RXD 和LIN_TXD，经过转化终究在LIN 引脚输出LIN 总线信号。在底层操控器Dspic30f4012 和LIN 收发器TP%&&&&&%1021 之间加上一个磁耦合阻隔器材ADUM1201ARZ，用来进步电池组检测体系通讯的抗干扰才能和处理分布式检测中“共地”发生短路的问题，有用地把各个检测单元的电气衔接阻隔开来，一起也把底层电压与上层LIN 总线阻隔开来。当LIN 收发器作为主机节点时，需求把图3 中的J3 跳线用跳针短接，用于从机节点时不要跳针短接。
2.2 电池办理体系软件规划
2.2.1 电池办理体系的软件规划和整体结构
ECU 中的软件规划包含底层ECU 和上层ECU 软件规划。底层ECU 的软件规划首要包含电压、电流、温度的收集程序与收集成果的核算程序、数据通讯程序、中止程序等；上层ECU 的软件规划首要包含SOC 预算程序、LIN 总线通讯程序、毛病剖析及报警程序、电压、电流、温度和荷电状况等显现程序、时钟程序、中止程序等。整个程序规划选用结构化和模块化的编程办法来完结。上层ECU 的主程序流程图如图4 所示。
其间，电池的电压检测包含单体电池电压的检测和电池组电压的检测。当单体电压超限时，体系能够判别超限单体电池的编号，判别单体电池是低电压超限仍是高电压超限，在显现器上显现而且有声响报警。电池组电压超限时程序能够剖分出是何种原因超限，以此来进入维护程序。电池温度的检测包含单体电池温度的检测和环境温度的检测，当温度超限时，体系经过检测到的数据能剖析温度超限的原因，以此进入维护程序。电池的荷电状况超限首要是指电池剩下电量过低，持续放电可能会影响电池的寿数。
2.2.2 LIN 通讯的完结
LIN 协议是一种敞开的总线协议，一个完好的报文帧由报文头和呼应组成。每一次数据的传送都由主机节点开端，标志着一次数据通讯进程报文帧的开端.
图5 为5 号单体磷酸铁锂电池LIN 总线标识符场，以此为例阐明LIN 总线标识符场的设定。5 号单体电池ID 位为0101，所以此节单体电池的ID 为0x5，ID4、ID5 设为01，即设定发送的数据场字节为4 个字节，经过前面的奇偶校验得到奇偶校验值为0、1，如图5 所示。
因为各个信号的规模不同，电压、电流、温度信号所用到的数据位数也不同，电压的规模在0~5 V 内，电流在0~20 A内，温度在-40~125 ℃规模内，所以本文在数据场顶用第1个字节和第4 个字节的低两位，共10 位来标明电压；用第2个字节和第4 个字节的中心4 位，共12 位来标明电流；用第3 个字节和第4 个字节的高两位，共10 位来标明温度。因为电压、电流、温度都精确到小数点后，在数据场中标明小数比较复杂，本文用实践参数值的10 倍或100 倍在数据帧中标明，如图6 所示。
表1 为各单体电池所对应的LIN 总线节点的ID 资源分配表。
上层ECU作为LIN总线的主机节点，当LIN主机节点向单体电池从机节点恳求数据时，LIN 总线大将进行从机节点到主机节点的数据传输，此刻LIN 主机节点向总线发送报文帧头，总线上的LIN 从机节点接纳报文帧头后，判别是否与自己的ID 匹配，若匹配发送报文帧呼应，LIN 主机节点接纳报文帧呼应，完结主机节点的数据恳求。
2.2.3 电池SOC 的预算和运转操控战略
在对SOC 进行预算时，一个精确和适宜的模型是十分需求的，关于Kalman 滤波算法来说精确的SOC 的预算是建立在精确的电池模型的根底上。Thevenin 模型是现在来说比较精确的模型，该模型对电池的外特性的描绘选用电池电动势、一个纯电阻和一个容阻回路串联的办法来完结，其电气模型的数学联系如下：
式（1）中k 为k 时刻，E（k）为电池端电压，V（k）是电池电动势，R1 是电池的欧姆内阻，R2 是电池的极化内阻，Uc 是电池的极化电压，%&&&&&%R2C 回路是用于模仿电池极化进程中的动态特性。考虑到温度影响的情况下，电池的电动势与荷电状况有式（3）的联系：
式中：F【Soc(k)】 是电池与电动势的函数联系， Soc(k）标明电池在不同温度下电动势相关于参阅条件下的改变量。经过以上公式，在进行离散化后得到状况空间方程如下。
状况空间方程精确地给出了体系相关的系数矩阵A（K）、B（K）、C（K）、D（K）和常数矩阵W（K）、V（K），依据以上方程及相关矩阵，能够得到扩展Kalman 滤波预算算式。
扩展Kalman 滤波算法由滤波器核算和滤波器增益核算两部分组成：滤波器核算由式（6）~（8）完结，在k 时刻，由式（7）使用（k-1）时刻的滤波成果得到SOC 的猜测值，再依据状况空间方程（6）得到在k 时刻的状况变量猜测值V（K），并与实践丈量值比较后得到猜测差错， 然后依据式（8）对状况变量的猜测值批改，得到新的滤波成果。滤波器增益核算由式（9）~（11）完结，式中Q和R 别离是噪声W （k）和V （k）的方差阵。
3 试验成果剖析
本规划的底层ECU 的电路板如图7 所示，每个单体电池上都会固定一块底层ECU 的电路板。
在不同的充电战略下来查验电池办理体系的作业情况，经过检测电池组中各个单体电池的充放电电压、电流、温度、SOC 等参数，与实践值相比较来阐明体系的检测精度，如图8所示，其间数据每分钟记载一次，横坐标为时刻min.
本规划设定充放电时电压上限为3.65 V，电压下限为2.95 V.温度报警为上限80 ℃。试验对电池进行充电，终究充电电压均在3.53~3.62 V，充电进程最大差错50 mV，其间电池电压差错小于1%要求；此外，温度丈量差错满意1%要求，电流丈量精度为1%，SOC 差错在8%以内。当对单体电池施行人为过电压时，体系能及时进行报警和显现。经过试验标明本电池办理体系能到达预期的电池参数检测的方针，且都能满意精度要求。
4 定论
本文规划开发了一种磷酸铁锂电池办理体系，依据分布式办法检测各个单体电池的参数，引进了LIN 总线技能，进一步下降了体系的本钱。本体系完结了电池实时监测与维护、SOC 预算、LIN 总线通讯等功用。该体系结构简略、丈量精度较高、能有用地维护电池组，用LIN 总线替代常用的CAN 或RS232 通讯，为规划新式电动轿车电池办理体系供给了重要依据。
