一種基于LIN總線的溫控網關的設計與實現

陳彩霞　張海煥　江政

【摘 要】電池是新能源汽車的核心部件，溫度對電池性能和壽命有很大影響，所以近年來以控制電池工作在合理溫度范圍為目的的電池熱管理技術成為了研究熱點。本文設計了溫控網關控制器，其基于LIN總線，以飛思卡爾16位單片機作為控制器，通過連接并控制高壓加熱器、水泵、電動三通閥、電池散熱器、空調冷媒實現對電池的加熱和冷卻。實踐表明，該溫控網關能夠很好的降低電池的故障率，使電芯溫度維持在最優工作范圍內，提升續航里程，具有較好的應用價值。

【關鍵詞】LIN總線；溫控網關；加熱；冷卻

中圖分類號： TB657.2 文獻標識碼： A 文章編號： 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，Freescale 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裝置和動力來源，直接影響到整車的安全性使用性能。目前由于動力電池材料所限，動力電池的性能還無法滿足低溫和高溫環境下的使用要求，并且如果電池單體長時間存在較大的溫差會降低電池的一致性，從而降低動力電池系統的性能，縮短電池的使用壽命。因此需要設計動力電池系統的溫度管理系統來對動力電池進行安全監控和有效管理，使得動力電池始終工作在最優的溫度范圍內，從而提升續始里程和改善整車的安全性。

1 溫控網關控制器介紹

溫控網關是實現高壓電池冷卻和加熱功能的關鍵控制器。整個控制系統分為3個回路：快冷回路、慢冷回路、加熱回路。通過控制三通閥即可切換到不同的回路實現不同的功能。默認的回路為慢冷回路，慢冷回路采用電動水泵驅動冷卻液流經電池表面進行熱循環的冷卻方式，消耗的散熱功率較小。當電池溫度T>40℃切換到快冷回路，快冷回路利用空調的冷媒流經液液交換器的方式快速冷卻電池冷卻液，從而達到在很短的時間內冷卻電池的目的。當電池溫度T<30℃且環境溫度Ts<20℃時，退出快冷模式。當電池溫度T<-10℃，則先行啟動加熱回路，溫控網關發起對高壓液體加熱器的LIN通信，請求高壓液體加熱器開始工作，開始對電池進行加熱。在電池溫度升高到T>10℃時，退出加熱流程。以上功能的實現，是溫控網關和整車控制器通過LIN總線進行信息交互，控制三通閥、電磁閥、水泵、高壓液體加熱器，同時采集電池進水口、出水口的溫度，環境溫度，監測冷卻和加熱的程度，最終實現對電池的冷卻和加熱。

2 硬件方案設計

硬件方案設計實現中采用V流程的方式實現，完成了包括設計需求，電路分析和設計，模塊實現，模塊測試和發布以及電路集成過程。并在其中進行了模塊化電路設計方法包括：模塊FMEA、模塊電路設計仿真、最壞情況分析、電路EMC分析、容差分析、Layout設計分析、模塊電路驗證、模塊測試等可靠性驗證，保證硬件設計方案實用可靠。

溫控網關的硬件技術方案包括電源、數字輸入、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 軟件方案設計

3.1 軟件架構設計

溫控網關的軟件架構采用如圖4所示的分層設計結構，主要分為基礎軟件、中間層和應用層。應用層完全采用模型化開發，增強了應用規范性、可復用性，提高了代碼質量。應用層開發包括電源管理、多路溫度檢測、電動水泵控制、電磁閥控制、三通閥控制、高壓液體加熱器控制等功能模塊。中間層主要負責連接應用層和基礎軟件層，包含應用所需接口。基礎層包含基礎軟件包和驅動軟件包、LIN協議棧、網絡管理、UDS診斷服務等模塊，其中LIN協議棧的開發完全平臺化，可支持多款芯片，移植性高。endprint

整個軟件架構基本遵循AUTOSAR規范。這種軟件結構層次化、模塊化程度高，在定義好各層軟件之間的接口之后，就可以在開發過程中按照功能對每個模塊進行獨立開發，各模塊之間的互相調用以及上層軟件對底層軟件的調用都通過標準的接口進行。使用這種方式，使得硬件平臺化成為現實，基于同一個硬件平臺的新產品，只需進行應用層模型的更新，就可以很快投入使用，大大提高了工作效率。

3.2 工作模式

溫控網關有Init（初始化模式）、Ready（準備模式）、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。當整車上電時，TGW進入初始化模式，對硬件進行初始化；Key on時，溫控檢測各部件的工作狀態，如有部件工作狀態不正常，則進入故障模式，并將故障狀態通過LIN總線反饋給整車控制器，如無故障，則進入正常的工作模式；Key off時，先進入standy模式，如無再次上電情況，則進入sleep模式；如再次Key on，則根據溫控網關狀態進入Normal或Fault模式。

3.3 軟件功能實現流程

軟件系統以時間片為工作基準。本系統中，由于要求LIN總線主機節點發送消息給從機節點的周期為5ms，所以時間片選擇以5ms為周期的時鐘節拍，所有的任務都以5ms為基準節拍進行。產生5ms時鐘的節拍源為系統時鐘計時器，基準計數時間間隔為1ms，每5ms調度一次基礎任務周期。另由基準時間片生成包括20ms周期、100ms周期在內的各種周期時間片。并建立各種時間周期的任務，以便在這些任務中調用相應的函數。系統具體的工作任務分配如下：

4 驗證總結

采用LIN總線實現電池液冷系統的加熱與冷卻，降低了整車CAN總線的負載率，并且能耗低，降低了成本。該溫控網關順利通過了白盒測試、黑盒測試、高溫環模試驗、夏季路試試驗、冬季路試試驗、高溫耐久試驗、驅動耐久試驗，驗證了電池包冷卻和加熱都取得了不錯的效果，可確保電池包工作在最優的工作范圍內，提升了新能源車的整車性能。

【參考文獻】

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