2.2.1 電池管理系統的軟件設計和總體結構

　　ECU 中的軟件設計包括底層ECU 和上層ECU 軟件設計。底層ECU 的軟件設計主要包括電壓、電流、溫度的采集程序與采集結果的計算程序、數據通信程序、中斷程序等；上層ECU 的軟件設計主要包括SOC 估算程序、LIN 總線通信程序、故障分析及報警程序、電壓、電流、溫度和荷電狀態等顯示程序、時鐘程序、中斷程序等。整個程序設計采用結構化和模塊化的編程方法來實現。上層ECU 的主程序流程圖如圖4 所示。

　　其中，電池的電壓檢測包括單體電池電壓的檢測和電池組電壓的檢測。當單體電壓超限時，系統能夠判斷超限單體電池的編號，判斷單體電池是低電壓超限還是高電壓超限，在顯示器上顯示并且有聲音報警。電池組電壓超限時程序能夠分析出是何種原因超限，以此來進入保護程序。電池溫度的檢測包括單體電池溫度的檢測和環境溫度的檢測，當溫度超限時，系統通過檢測到的數據能分析溫度超限的原因，以此進入保護程序。電池的荷電狀態超限主要是指電池剩余電量過低，繼續放電可能會影響電池的壽命。

　　2.2.2 LIN 通信的實現

　　LIN 協議是一種開放的總線協議，一個完整的報文幀由報文頭和響應組成。每一次數據的傳送都由主機節點開始，標志著一次數據通信過程報文幀的開始［3］。

　　圖5 為5 號單體磷酸鐵鋰電池LIN 總線標識符場，以此為例說明LIN 總線標識符場的設定。5 號單體電池ID 位為0101，所以此節單體電池的ID 為0x5，ID4、ID5 設為01，即設定發送的數據場字節為4 個字節，通過前面的奇偶校驗得到奇偶校驗值為0、1，如圖5 所示。

　　由于各個信號的范圍不同，電壓、電流、溫度信號所用到的數據位數也不同，電壓的范圍在0~5 V 內，電流在0~20 A內，溫度在-40~125 ℃范圍內，所以本文在數據場中用第1個字節和第4 個字節的低兩位，共10 位來表示電壓；用第2個字節和第4 個字節的中間4 位，共12 位來表示電流；用第3 個字節和第4 個字節的高兩位，共10 位來表示溫度。由于電壓、電流、溫度都精確到小數點后，在數據場中表示小數比較復雜，本文用實際參數值的10 倍或100 倍在數據幀中表示，如圖6 所示。

　　表1 為各單體電池所對應的LIN 總線節點的ID 資源分配表。

　　上層ECU作為LIN總線的主機節點，當LIN主機節點向單體電池從機節點請求數據時，LIN 總線上將進行從機節點到主機節點的數據傳輸，此時LIN 主機節點向總線發送報文幀頭，總線上的LIN 從機節點接收報文幀頭后，判斷是否與自己的ID 匹配，若匹配發送報文幀響應，LIN 主機節點接收報文幀響應，完成主機節點的數據請求。

　　2.2.3 電池SOC 的估算和運行控制策略

　　在對SOC 進行估算時，一個準確和合適的模型是非常需要的，對于Kalman 濾波算法來說精確的SOC 的估算是建立在精確的電池模型的基礎上。Thevenin 模型是目前來說比較準確的模型，該模型對電池的外特性的描述采用電池電動勢、一個純電阻和一個容阻回路串聯的方法來實現，其電氣模型的數學關系如下：

　　式（1）中k 為k 時刻，E（k）為電池端電壓，V（k）是電池電動勢，R1 是電池的歐姆內阻，R2 是電池的極化內阻，Uc 是電池的極化電壓，電容R2C 回路是用于模擬電池極化過程中的動態特性。考慮到溫度影響的情況下，電池的電動勢與荷電狀態有式（3）的關系：

　　式中：F【Soc（k）】 是電池與電動勢的函數關系， Soc（k）表示電池在不同溫度下電動勢相對于參考條件下的變化量。通過以上公式，在進行離散化后得到狀態空間方程如下。

　　狀態空間方程準確地給出了系統相關的系數矩陣A（K）、B（K）、C（K）、D（K）和常數矩陣W（K）、V（K），基于以上方程及相關矩陣，可以得到擴展Kalman 濾波估算算式。

　　擴展Kalman 濾波算法由濾波器計算和濾波器增益計算兩部分組成：濾波器計算由式（6）~（8）完成，在k 時刻，由式（7）利用（k-1）時刻的濾波結果得到SOC 的預測值，再根據狀態空間方程（6）得到在k 時刻的狀態變量預測值V（K），并與實際測量值比較后得到預測誤差， 然后根據式（8）對狀態變量的預測值修正，得到新的濾波結果。濾波器增益計算由式（9）~（11）完成，式中Q和R 分別是噪聲W （k）和V （k）的方差陣。