纯电动车电池管理系统设计

IC1021 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。

　　2.2 电池管理系统软件设计

　　2.2.1 电池管理系统的软件设计和总体结构

　　ECU 中的软件设计包括底层ECU 和上层ECU 软件设计。底层ECU 的软件设计主要包括电压、电流、温度的采集程序与采集结果的计算程序、数据通信程序、中断程序等；上层ECU 的软件设计主要包括SOC 估算程序、LIN 总线通信程序、故障分析及报警程序、电压、电流、温度和荷电状态等显示程序、时钟程序、中断程序等。整个程序设计采用结构化和模块化的编程方法来实现。上层ECU 的主程序流程图如图4 所示。

　　其中，电池的电压检测包括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，系统能够判断超限单体电池的编号，判断单体电池是低电压超限还是高电压超限，在显示器上显示并且有声音报警。电池组电压超限时程序能够分析出是何种原因超限，以此来进入保护程序。电池温度的检测包括单体电池温度的检测和环境温度的检测，当温度超限时，系统通过检测到的数据能分析温度超限的原因，以此进入保护程序。电池的荷电状态超限主要是指电池剩余电量过低，继续放电可能会影响电池的寿命。

      2.2.2 LIN 通信的实现

　　LIN 协议是一种开放的总线协议，一个完整的报文帧由报文头和响应组成。每一次数据的传送都由主机节点开始，标志着一次数据通信过程报文帧的开始[3].

　　图5 为5 号单体磷酸铁锂电池LIN 总线标识符场，以此为例说明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，通过前面的奇偶校验得到奇偶校验值为0、1,如图5 所示。

　　由于各个信号的范围不同，电压、电流、温度信号所用到的数据位数也不同，电压的范围在0~5 V 内，电流在0~20 A内，温度在-40~125 ℃范围内，所以本文在数据场中用第1个字节和第4 个字节的低两位，共10 位来表示电压；用第2个字节和第4 个字节的中间4 位，共12 位来表示电流；用第3 个字节和第4 个字节的高两位，共10 位来表示温度。由于电压、电流、温度都精确到小数点后，在数据场中表示小数比较复杂，本文用实际参数值的10 倍或100 倍在数据帧中表示，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请求数据时，LIN 总线上将进行从机节点到主机节点的数据传输，此时LIN 主机节点向总线发送报文帧头，总线上的LIN 从机节点接收报文帧头后，判断是否与自己的ID 匹配，若匹配发送报文帧响应，LIN 主机节点接收报文帧响应，完成主机节点的数据请求。

      2.2.3 电池SOC 的估算和运行控制策略

　　在对SOC 进行估算时，一个准确和合适的模型是非常需要的，对于Kalman 滤波算法来说精确的SOC 的估算是建立在精确的电池模型的基础上。Thevenin 模型是目前来说比较准确的模型，该模型对电池的外特性的描述采用电池电动势、一个纯电阻和一个容阻回路串联的方法来实现，其电气模型的数学关系如下：

　　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，电容R2C 回路是用于模拟电池极化过程中的动态特性。考虑到温度影响的情况下，电池的电动势与荷电状态有式（3）的关系：

　　式中：F【Soc(k)】 是电池与电动势的函数关系， Soc(k）表示电池在不同温度下电动势相对于参考条件下的变化量。通过以上公式，在进行离散化后得到状态空间方程如下。

　　状态空间方程准确地给出了系统相关的系数矩阵A（K）、B（K）、C（K）、D（K）和常数矩阵W（K）、V（K），基于以上方程及相关矩阵，可以得到扩展Kalman 滤波估算算式。

扩展Kalman 滤波算法由滤波器计算和滤波器增益计算两