一種基于LIN總線的溫控網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳彩霞　張海煥　江政

【摘 要】電池是新能源汽車的核心部件，溫度對(duì)電池性能和壽命有很大影響，所以近年來(lái)以控制電池工作在合理溫度范圍為目的的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)成為了研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了溫控網(wǎng)關(guān)控制器，其基于LIN總線，以飛思卡爾16位單片機(jī)作為控制器，通過(guò)連接并控制高壓加熱器、水泵、電動(dòng)三通閥、電池散熱器、空調(diào)冷媒實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱和冷卻。實(shí)踐表明，該溫控網(wǎng)關(guān)能夠很好的降低電池的故障率，使電芯溫度維持在最優(yōu)工作范圍內(nèi)，提升續(xù)航里程，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】LIN總線；溫控網(wǎng)關(guān)；加熱；冷卻

中圖分類號(hào)： TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）17-0066-002

Design and Implementation of Temperature Control Gateway Based on LIN Bus

CHEN Cai-xia ZHANG Hai-huan JIANG Zheng

（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Automobile Engineering Institute，Guangzhou Guangdong 511434，China）

【Abstract】Battery is the core of new energy vehicles.Especially，the temperature on the battery performance and life has a great impact，so to control the battery work in a reasonable temperature range for the purpose of battery thermal management technology has become a research hotspot in recent years.The paper designed a temperature control gateway controller，which is based on LIN bus，F(xiàn)reescale 16-bit microcontroller as a controller，through controlling high voltage heaters，pumps，electric three-way valve，battery heaters，air conditioning refrigerant to realize Heating and cooling about the battery.Practice shows that the temperature control gateway can reduce the failure rate of the battery，so that the cell temperature is maintained within the optimal working range，improve the mileage，and has a good application value.

【Key words】LIN Bus；Temperature Gateway；Heat；Cool

0 引言

高壓電池是新能源汽車重要的能量存儲(chǔ)裝置和動(dòng)力來(lái)源，直接影響到整車的安全性使用性能。目前由于動(dòng)力電池材料所限，動(dòng)力電池的性能還無(wú)法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使用要求，并且如果電池單體長(zhǎng)時(shí)間存在較大的溫差會(huì)降低電池的一致性，從而降低動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能，縮短電池的使用壽命。因此需要設(shè)計(jì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫度管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理，使得動(dòng)力電池始終工作在最優(yōu)的溫度范圍內(nèi)，從而提升續(xù)始里程和改善整車的安全性。

1 溫控網(wǎng)關(guān)控制器介紹

溫控網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)高壓電池冷卻和加熱功能的關(guān)鍵控制器。整個(gè)控制系統(tǒng)分為3個(gè)回路：快冷回路、慢冷回路、加熱回路。通過(guò)控制三通閥即可切換到不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的功能。默認(rèn)的回路為慢冷回路，慢冷回路采用電動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液流經(jīng)電池表面進(jìn)行熱循環(huán)的冷卻方式，消耗的散熱功率較小。當(dāng)電池溫度T>40℃切換到快冷回路，快冷回路利用空調(diào)的冷媒流經(jīng)液液交換器的方式快速冷卻電池冷卻液，從而達(dá)到在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻電池的目的。當(dāng)電池溫度T<30℃且環(huán)境溫度Ts<20℃時(shí)，退出快冷模式。當(dāng)電池溫度T<-10℃，則先行啟動(dòng)加熱回路，溫控網(wǎng)關(guān)發(fā)起對(duì)高壓液體加熱器的LIN通信，請(qǐng)求高壓液體加熱器開始工作，開始對(duì)電池進(jìn)行加熱。在電池溫度升高到T>10℃時(shí)，退出加熱流程。以上功能的實(shí)現(xiàn)，是溫控網(wǎng)關(guān)和整車控制器通過(guò)LIN總線進(jìn)行信息交互，控制三通閥、電磁閥、水泵、高壓液體加熱器，同時(shí)采集電池進(jìn)水口、出水口的溫度，環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)冷卻和加熱的程度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的冷卻和加熱。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

硬件方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用V流程的方式實(shí)現(xiàn)，完成了包括設(shè)計(jì)需求，電路分析和設(shè)計(jì)，模塊實(shí)現(xiàn)，模塊測(cè)試和發(fā)布以及電路集成過(guò)程。并在其中進(jìn)行了模塊化電路設(shè)計(jì)方法包括：模塊FMEA、模塊電路設(shè)計(jì)仿真、最壞情況分析、電路EMC分析、容差分析、Layout設(shè)計(jì)分析、模塊電路驗(yàn)證、模塊測(cè)試等可靠性驗(yàn)證，保證硬件設(shè)計(jì)方案實(shí)用可靠。

溫控網(wǎng)關(guān)的硬件技術(shù)方案包括電源、數(shù)字輸入、模擬輸入、PWM輸入、外部供電輸出、H橋輸出、低邊輸出、LIN通訊等9大模塊。采用成熟的飛思卡爾處理器作為主控制器。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫控網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)采用如圖4所示的分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要分為基礎(chǔ)軟件、中間層和應(yīng)用層。應(yīng)用層完全采用模型化開發(fā)，增強(qiáng)了應(yīng)用規(guī)范性、可復(fù)用性，提高了代碼質(zhì)量。應(yīng)用層開發(fā)包括電源管理、多路溫度檢測(cè)、電動(dòng)水泵控制、電磁閥控制、三通閥控制、高壓液體加熱器控制等功能模塊。中間層主要負(fù)責(zé)連接應(yīng)用層和基礎(chǔ)軟件層，包含應(yīng)用所需接口?；A(chǔ)層包含基礎(chǔ)軟件包和驅(qū)動(dòng)軟件包、LIN協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)管理、UDS診斷服務(wù)等模塊，其中LIN協(xié)議棧的開發(fā)完全平臺(tái)化，可支持多款芯片，移植性高。endprint

整個(gè)軟件架構(gòu)基本遵循AUTOSAR規(guī)范。這種軟件結(jié)構(gòu)層次化、模塊化程度高，在定義好各層軟件之間的接口之后，就可以在開發(fā)過(guò)程中按照功能對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，各模塊之間的互相調(diào)用以及上層軟件對(duì)底層軟件的調(diào)用都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行。使用這種方式，使得硬件平臺(tái)化成為現(xiàn)實(shí)，基于同一個(gè)硬件平臺(tái)的新產(chǎn)品，只需進(jìn)行應(yīng)用層模型的更新，就可以很快投入使用，大大提高了工作效率。

3.2 工作模式

溫控網(wǎng)關(guān)有Init（初始化模式）、Ready（準(zhǔn)備模式）、Normal（正常模式）、Fault（故障模式）、Standy（旁路模式）及Sleep（睡眠模式）6種工作模式。當(dāng)整車上電時(shí)，TGW進(jìn)入初始化模式，對(duì)硬件進(jìn)行初始化；Key on時(shí)，溫控檢測(cè)各部件的工作狀態(tài)，如有部件工作狀態(tài)不正常，則進(jìn)入故障模式，并將故障狀態(tài)通過(guò)LIN總線反饋給整車控制器，如無(wú)故障，則進(jìn)入正常的工作模式；Key off時(shí)，先進(jìn)入standy模式，如無(wú)再次上電情況，則進(jìn)入sleep模式；如再次Key on，則根據(jù)溫控網(wǎng)關(guān)狀態(tài)進(jìn)入Normal或Fault模式。

3.3 軟件功能實(shí)現(xiàn)流程

軟件系統(tǒng)以時(shí)間片為工作基準(zhǔn)。本系統(tǒng)中，由于要求LIN總線主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息給從機(jī)節(jié)點(diǎn)的周期為5ms，所以時(shí)間片選擇以5ms為周期的時(shí)鐘節(jié)拍，所有的任務(wù)都以5ms為基準(zhǔn)節(jié)拍進(jìn)行。產(chǎn)生5ms時(shí)鐘的節(jié)拍源為系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)器，基準(zhǔn)計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為1ms，每5ms調(diào)度一次基礎(chǔ)任務(wù)周期。另由基準(zhǔn)時(shí)間片生成包括20ms周期、100ms周期在內(nèi)的各種周期時(shí)間片。并建立各種時(shí)間周期的任務(wù)，以便在這些任務(wù)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。系統(tǒng)具體的工作任務(wù)分配如下：

4 驗(yàn)證總結(jié)

采用LIN總線實(shí)現(xiàn)電池液冷系統(tǒng)的加熱與冷卻，降低了整車CAN總線的負(fù)載率，并且能耗低，降低了成本。該溫控網(wǎng)關(guān)順利通過(guò)了白盒測(cè)試、黑盒測(cè)試、高溫環(huán)模試驗(yàn)、夏季路試試驗(yàn)、冬季路試試驗(yàn)、高溫耐久試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證了電池包冷卻和加熱都取得了不錯(cuò)的效果，可確保電池包工作在最優(yōu)的工作范圍內(nèi)，提升了新能源車的整車性能。

【參考文獻(xiàn)】

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