CAN總線的磷酸鐵鋰動力電池檢測方法探究

王磊

（國家鋰電池產品質量監督檢驗中心（山東），山東 棗莊 277800）

在能源危機與環境惡化等因素的影響下，新能源的開發與新能源交通工具的設計使用重要性逐漸凸顯出來。特別是當前電動汽車安全事故的發生與人們對電動汽車安全性、可靠性的疑慮，使得磷酸鐵鋰電池的研究勢在必行。根據磷酸鐵鋰動力電池特征，通過對磁耦合隔離技術的應用，將數字信號控制器dsPIC30F4012芯片為核心，對性能高且成本低的磷酸鐵鋰動力電池檢測單元進行設計。此單元的應用可將電池通信功能、溫度檢測功能和電壓功能充分發揮出來，通過融合電機控制器控制，可有效規避電池放電過度情況的出現，使得電池使用壽命得以延長。由此可見，深入研究并分析CAN總線的磷酸鐵鋰動力電池檢測方法具有一定的現實意義。

1 磷酸鐵鋰動力電池概述

磷酸鐵鋰動力電池組是電動汽車的儲能裝置，質量輕且容量大，不具備記憶效應特點突出，但在實際應用中仍存在一定的技術問題，尤其是電池檢測和管理問題。結合既有鋰電池檢測技術，在車載磷酸鐵鋰動力電池組單節電池檢測單元中的應用效果仍差強人意，集中體現在接線過多、抗干擾能力薄弱、估計單節電池剩余能量誤差過大、電壓測量不精準、電路復雜、單節電池荷電狀態計算不準確等方面。現階段對CAN總線通信使用期間，電壓隔離電路十分復雜，因而要適當增加供電電路，直接提高了單節電池檢測單元成本。在汽車中使用CAN總線是串行通信總線，實時性極強，即便受強電磁干擾，同樣可保證傳輸的可靠性，特點集中體現在以下幾個方面：（1）極高的可靠性且成本低，性價比理想；（2）數據的傳輸速率高、誤碼率低，具有極強的實時性且傳輸可靠；（3）以優先級為基礎的非破壞總線仲裁技術；（4）多主工作且無主從區別，通信更靈活。

2 磷酸鐵鋰動力電池檢測單元的硬件設計

此單節電池檢測單元能夠實時檢測單節電池溫度與電壓等方面的信息，向CAN總線發送所檢測的電池剩余能量、電壓以及溫度，通過CAN總線對電流等相關信息予以接受。

2.1 電池檢測單元具體組成

參考單節電池檢測單元拓撲可知，其包括了16節單節電池檢測節點與一液晶顯示儀表節點，在CAN總線的作用下即可實現通信目標。在單節電池檢測單元中主要由數字信號控制器模塊、電壓檢測模塊、CAN通信模塊、溫度檢測模塊組成。單節電池檢測單元的硬件組成主要有磁耦合隔離器件、16位數字信號控制器dsPIC30F4012和CAN驅動芯片。其中，dsPIC30F4012工作電壓主要是寬范圍供電，并且是電池供電。且在單節電池任一工作電壓條件下，dsPIC30F4012芯片工作狀態均正常。對于磁耦合隔離器件，其工作電壓同樣為寬范圍方式。在檢測熱敏電阻數值以后即可對電池溫度進行計算，使得成本支出減少，同時也可滿足檢測電池溫度的需求。對于電壓檢測模塊，其構成主要包括單節電池電壓輸出端與輸入端，能夠對電池端電壓進行測量，并借助CAN總線所提供的磷酸鐵鋰動力電池組過流電流，即可對單節電池剩余電量進行計算，隨后向CAN總線發送所檢測到的信息。

2.2 電壓、溫度檢測電路

對于單節電池檢測單元的檢測電路，主要是LM385所提供的A/D轉換電壓。通常，單節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的轉換。在實際使用動力電池組的時候，溫度始終處于緩慢變化狀態，所以要合理測量溫度。此單節電池檢測單元對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匹配電阻，而dsPIC30F4012引腳的作用就是對熱敏電阻電壓進行檢測，以獲取其阻值的具體改變，進而了解單節電池溫度。

2.3 CAN通信接口電路

根據單節電池檢測單元CAN通信接口電路原理可知，因將CAN控制器嵌入dsPIC30F4012的內部，所以只要與CAN驅動器PCA82C250連接即可。可將磁耦合隔離器ADUM1201加入dsPIC30F4012和PCA82C250間。在此單節電池檢測單元中，要想實現磁耦隔離，僅使用一片就能夠達到CAN通信的目標。但如果選擇傳統光耦隔離的方式，則要求使用兩片才可實現目標。較之于光耦隔離器，磁耦隔離器的隔離電路更加簡化，且系統穩定功能會顯著提高。借助芯片級變壓器技術與高速CMOS工藝后，實際功耗也只有光耦隔離的1/10～1/60，且數據的傳輸速率更高，具有更強的瞬態共模抑制能力與時序精度，使得光耦隔離電流傳輸的不穩定性得以消除，且對使用壽命與非線性傳輸等方面的問題有效解決。對于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 磷酸鐵鋰動力電池檢測單元的軟件設計

在設計此單節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計理念，即CAN通信、A/D轉換數據處理、系統初始化以及電池電壓溫度超限判斷等多個方面。對于單節電池檢測單元軟件的使用流程，其主程序需要進行系統初始化處理，隨后是A/D轉換與CAN通信的初始化，完成數據采集A/D轉換后實現CAN通信目標。經循環調用后，即可準確檢測單節電池的電壓與溫度，以實現對單節電池工作狀態實時監控的目的。

4 磷酸鐵鋰動力電池檢測單元的試驗結果分析

基于不同電壓條件，要想對單節電池檢測單元工作狀態進行驗證，需積極開展磷酸鐵鋰動力電池組的串聯充放電試驗。在單節電池檢測單元對電池的電壓、過流以及溫度進行檢測后，要對電池荷電狀態進行計算。此時，電池檢測單元即可借助CAN通信向觸摸屏模塊傳輸數據信息，并通過觸摸屏清晰地顯示出來。根據所顯示的電池信息可知，電池檢測單元可對CAN總線上單節電池向觸摸屏模塊傳遞的信息予以準確掌握，同時可保證顯示的實時性，進而與電動汽車安全運行的具體需求相適應。

5 結語

綜上所述，在以上研究中，單節電池檢測單元應用于車載磷酸鐵鋰動力電池組并展開研究，較之于既有技術，優勢集中體現在以下幾個方面：選擇使用16位數字信號控制器dsPIC30F4012芯片，無須進行電池端電壓的DC/DC轉換及穩壓，而供電電源主要通過檢測電池提供，因而實際成本明顯降低。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勢更突出，使得隔離器件數量與電路板面積明顯減少，且隔離電路得以簡化。與此同時，磁耦隔離器件的功耗遠低于光電耦合器件，其數據的傳輸速率、瞬態共模抑制能力與時序精度等均優于光耦隔離器件。磷酸鐵鋰動力電池的安全性與環保性更突出，適用于研發與生產。

在以上研究中，此單節電池檢測單元可對電池組任一電池工作情況予以實時且準確監測，增強了維護電池組的效果，可對電池問題予以盡早發現與處理，實現了電池使用壽命的延長目標。所以，此單節電池檢測單元的設計性能理想，可將其用于電動汽車動力系統的核心裝置，應用可行性和合理性更理想。