CAN總線的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測方法探究

王磊

（國家鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（山東），山東 棗莊 277800）

在能源危機(jī)與環(huán)境惡化等因素的影響下，新能源的開發(fā)與新能源交通工具的設(shè)計(jì)使用重要性逐漸凸顯出來。特別是當(dāng)前電動(dòng)汽車安全事故的發(fā)生與人們對(duì)電動(dòng)汽車安全性、可靠性的疑慮，使得磷酸鐵鋰電池的研究勢在必行。根據(jù)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池特征，通過對(duì)磁耦合隔離技術(shù)的應(yīng)用，將數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4012芯片為核心，對(duì)性能高且成本低的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。此單元的應(yīng)用可將電池通信功能、溫度檢測功能和電壓功能充分發(fā)揮出來，通過融合電機(jī)控制器控制，可有效規(guī)避電池放電過度情況的出現(xiàn)，使得電池使用壽命得以延長。由此可見，深入研究并分析CAN總線的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測方法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池概述

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組是電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能裝置，質(zhì)量輕且容量大，不具備記憶效應(yīng)特點(diǎn)突出，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的技術(shù)問題，尤其是電池檢測和管理問題。結(jié)合既有鋰電池檢測技術(shù)，在車載磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組單節(jié)電池檢測單元中的應(yīng)用效果仍差強(qiáng)人意，集中體現(xiàn)在接線過多、抗干擾能力薄弱、估計(jì)單節(jié)電池剩余能量誤差過大、電壓測量不精準(zhǔn)、電路復(fù)雜、單節(jié)電池荷電狀態(tài)計(jì)算不準(zhǔn)確等方面?，F(xiàn)階段對(duì)CAN總線通信使用期間，電壓隔離電路十分復(fù)雜，因而要適當(dāng)增加供電電路，直接提高了單節(jié)電池檢測單元成本。在汽車中使用CAN總線是串行通信總線，實(shí)時(shí)性極強(qiáng)，即便受強(qiáng)電磁干擾，同樣可保證傳輸?shù)目煽啃?，特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）極高的可靠性且成本低，性價(jià)比理想；（2）數(shù)據(jù)的傳輸速率高、誤碼率低，具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性且傳輸可靠；（3）以優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)的非破壞總線仲裁技術(shù)；（4）多主工作且無主從區(qū)別，通信更靈活。

2 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測單元的硬件設(shè)計(jì)

此單節(jié)電池檢測單元能夠?qū)崟r(shí)檢測單節(jié)電池溫度與電壓等方面的信息，向CAN總線發(fā)送所檢測的電池剩余能量、電壓以及溫度，通過CAN總線對(duì)電流等相關(guān)信息予以接受。

2.1 電池檢測單元具體組成

參考單節(jié)電池檢測單元拓?fù)淇芍浒?6節(jié)單節(jié)電池檢測節(jié)點(diǎn)與一液晶顯示儀表節(jié)點(diǎn)，在CAN總線的作用下即可實(shí)現(xiàn)通信目標(biāo)。在單節(jié)電池檢測單元中主要由數(shù)字信號(hào)控制器模塊、電壓檢測模塊、CAN通信模塊、溫度檢測模塊組成。單節(jié)電池檢測單元的硬件組成主要有磁耦合隔離器件、16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4012和CAN驅(qū)動(dòng)芯片。其中，dsPIC30F4012工作電壓主要是寬范圍供電，并且是電池供電。且在單節(jié)電池任一工作電壓條件下，dsPIC30F4012芯片工作狀態(tài)均正常。對(duì)于磁耦合隔離器件，其工作電壓同樣為寬范圍方式。在檢測熱敏電阻數(shù)值以后即可對(duì)電池溫度進(jìn)行計(jì)算，使得成本支出減少，同時(shí)也可滿足檢測電池溫度的需求。對(duì)于電壓檢測模塊，其構(gòu)成主要包括單節(jié)電池電壓輸出端與輸入端，能夠?qū)﹄姵囟穗妷哼M(jìn)行測量，并借助CAN總線所提供的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組過流電流，即可對(duì)單節(jié)電池剩余電量進(jìn)行計(jì)算，隨后向CAN總線發(fā)送所檢測到的信息。

2.2 電壓、溫度檢測電路

對(duì)于單節(jié)電池檢測單元的檢測電路，主要是LM385所提供的A/D轉(zhuǎn)換電壓。通常，單節(jié)電池端電壓在分壓電阻的作用下即可向dsPIC30F4012引腳上引入，隨后完成A/D的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際使用動(dòng)力電池組的時(shí)候，溫度始終處于緩慢變化狀態(tài)，所以要合理測量溫度。此單節(jié)電池檢測單元對(duì)于溫度精度的要求并不高，所以需借助熱敏電阻測量溫度。較之于既有溫度傳感器，實(shí)際成本顯著下降。電壓、溫度檢測電路主要組成包括熱敏電阻與兩個(gè)匹配電阻，而dsPIC30F4012引腳的作用就是對(duì)熱敏電阻電壓進(jìn)行檢測，以獲取其阻值的具體改變，進(jìn)而了解單節(jié)電池溫度。

2.3 CAN通信接口電路

根據(jù)單節(jié)電池檢測單元CAN通信接口電路原理可知，因?qū)AN控制器嵌入dsPIC30F4012的內(nèi)部，所以只要與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250連接即可?？蓪⒋篷詈细綦x器ADUM1201加入dsPIC30F4012和PCA82C250間。在此單節(jié)電池檢測單元中，要想實(shí)現(xiàn)磁耦隔離，僅使用一片就能夠達(dá)到CAN通信的目標(biāo)。但如果選擇傳統(tǒng)光耦隔離的方式，則要求使用兩片才可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。較之于光耦隔離器，磁耦隔離器的隔離電路更加簡化，且系統(tǒng)穩(wěn)定功能會(huì)顯著提高。借助芯片級(jí)變壓器技術(shù)與高速CMOS工藝后，實(shí)際功耗也只有光耦隔離的1/10～1/60，且數(shù)據(jù)的傳輸速率更高，具有更強(qiáng)的瞬態(tài)共模抑制能力與時(shí)序精度，使得光耦隔離電流傳輸?shù)牟环€(wěn)定性得以消除，且對(duì)使用壽命與非線性傳輸?shù)确矫娴膯栴}有效解決。對(duì)于CAN總線通信電路部分，在供電方面選擇使用的是外部電源供電（5V）。

3 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測單元的軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)此單節(jié)電池檢測單元軟件的過程中，以C語言編程為主。其軟件選擇了模塊化的設(shè)計(jì)理念，即CAN通信、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)初始化以及電池電壓溫度超限判斷等多個(gè)方面。對(duì)于單節(jié)電池檢測單元軟件的使用流程，其主程序需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理，隨后是A/D轉(zhuǎn)換與CAN通信的初始化，完成數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)CAN通信目標(biāo)。經(jīng)循環(huán)調(diào)用后，即可準(zhǔn)確檢測單節(jié)電池的電壓與溫度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)電池工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

4 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池檢測單元的試驗(yàn)結(jié)果分析

基于不同電壓條件，要想對(duì)單節(jié)電池檢測單元工作狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，需積極開展磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組的串聯(lián)充放電試驗(yàn)。在單節(jié)電池檢測單元對(duì)電池的電壓、過流以及溫度進(jìn)行檢測后，要對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，電池檢測單元即可借助CAN通信向觸摸屏模塊傳輸數(shù)據(jù)信息，并通過觸摸屏清晰地顯示出來。根據(jù)所顯示的電池信息可知，電池檢測單元可對(duì)CAN總線上單節(jié)電池向觸摸屏模塊傳遞的信息予以準(zhǔn)確掌握，同時(shí)可保證顯示的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而與電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的具體需求相適應(yīng)。

5 結(jié)語

綜上所述，在以上研究中，單節(jié)電池檢測單元應(yīng)用于車載磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組并展開研究，較之于既有技術(shù)，優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：選擇使用16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4012芯片，無須進(jìn)行電池端電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓，而供電電源主要通過檢測電池提供，因而實(shí)際成本明顯降低。而CAN總線通信電路選擇磁耦隔離器件，較之于光耦隔離器件其優(yōu)勢更突出，使得隔離器件數(shù)量與電路板面積明顯減少，且隔離電路得以簡化。與此同時(shí)，磁耦隔離器件的功耗遠(yuǎn)低于光電耦合器件，其數(shù)據(jù)的傳輸速率、瞬態(tài)共模抑制能力與時(shí)序精度等均優(yōu)于光耦隔離器件。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的安全性與環(huán)保性更突出，適用于研發(fā)與生產(chǎn)。

在以上研究中，此單節(jié)電池檢測單元可對(duì)電池組任一電池工作情況予以實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確監(jiān)測，增強(qiáng)了維護(hù)電池組的效果，可對(duì)電池問題予以盡早發(fā)現(xiàn)與處理，實(shí)現(xiàn)了電池使用壽命的延長目標(biāo)。所以，此單節(jié)電池檢測單元的設(shè)計(jì)性能理想，可將其用于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心裝置，應(yīng)用可行性和合理性更理想。