一种基于LIN总线的温控网关的设计与实现

陈彩霞　张海焕　江政

【摘 要】电池是新能源汽车的核心部件，温度对电池性能和寿命有很大影响，所以近年來以控制电池工作在合理温度范围为目的的电池热管理技术成为了研究热点。本文设计了温控网关控制器，其基于LIN总线，以飞思卡尔16位单片机作为控制器，通过连接并控制高压加热器、水泵、电动三通阀、电池散热器、空调冷媒实现对电池的加热和冷却。实践表明，该温控网关能够很好的降低电池的故障率，使电芯温度维持在最优工作范围内，提升续航里程，具有较好的应用价值。

【关键词】LIN总线；温控网关；加热；冷却

中图分类号： TB657.2 文献标识码： A 文章编号： 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

高压电池是新能源汽车重要的能量存储装置和动力来源，直接影响到整车的安全性使用性能。目前由于动力电池材料所限，动力电池的性能还无法满足低温和高温环境下的使用要求，并且如果电池单体长时间存在较大的温差会降低电池的一致性，从而降低动力电池系统的性能，缩短电池的使用寿命。因此需要设计动力电池系统的温度管理系统来对动力电池进行安全监控和有效管理，使得动力电池始终工作在最优的温度范围内，从而提升续始里程和改善整车的安全性。

1 温控网关控制器介绍

温控网关是实现高压电池冷却和加热功能的关键控制器。整个控制系统分为3个回路：快冷回路、慢冷回路、加热回路。通过控制三通阀即可切换到不同的回路实现不同的功能。默认的回路为慢冷回路，慢冷回路采用电动水泵驱动冷却液流经电池表面进行热循环的冷却方式，消耗的散热功率较小。当电池温度T>40℃切换到快冷回路，快冷回路利用空调的冷媒流经液液交换器的方式快速冷却电池冷却液，从而达到在很短的时间内冷却电池的目的。当电池温度T<30℃且环境温度Ts<20℃时，退出快冷模式。当电池温度T<-10℃，则先行启动加热回路，温控网关发起对高压液体加热器的LIN通信，请求高压液体加热器开始工作，开始对电池进行加热。在电池温度升高到T>10℃时，退出加热流程。以上功能的实现，是温控网关和整车控制器通过LIN总线进行信息交互，控制三通阀、电磁阀、水泵、高压液体加热器，同时采集电池进水口、出水口的温度，环境温度，监测冷却和加热的程度，最终实现对电池的冷却和加热。

2 硬件方案设计

硬件方案设计实现中采用V流程的方式实现，完成了包括设计需求，电路分析和设计，模块实现，模块测试和发布以及电路集成过程。并在其中进行了模块化电路设计方法包括：模块FMEA、模块电路设计仿真、最坏情况分析、电路EMC分析、容差分析、Layout设计分析、模块电路验证、模块测试等可靠性验证，保证硬件设计方案实用可靠。

温控网关的硬件技术方案包括电源、数字输入、模拟输入、PWM输入、外部供电输出、H桥输出、低边输出、LIN通讯等9大模块。采用成熟的飞思卡尔处理器作为主控制器。

3 软件方案设计

3.1 软件架构设计

温控网关的软件架构采用如图4所示的分层设计结构，主要分为基础软件、中间层和应用层。应用层完全采用模型化开发，增强了应用规范性、可复用性，提高了代码质量。应用层开发包括电源管理、多路温度检测、电动水泵控制、电磁阀控制、三通阀控制、高压液体加热器控制等功能模块。中间层主要负责连接应用层和基础软件层，包含应用所需接口。基础层包含基础软件包和驱动软件包、LIN协议栈、网络管理、UDS诊断服务等模块，其中LIN协议栈的开发完全平台化，可支持多款芯片，移植性高。endprint

整个软件架构基本遵循AUTOSAR规范。这种软件结构层次化、模块化程度高，在定义好各层软件之间的接口之后，就可以在开发过程中按照功能对每个模块进行独立开发，各模块之间的互相调用以及上层软件对底层软件的调用都通过标准的接口进行。使用这种方式，使得硬件平台化成为现实，基于同一个硬件平台的新产品，只需进行应用层模型的更新，就可以很快投入使用，大大提高了工作效率。

3.2 工作模式

温控网关有Init（初始化模式）、Ready（准备模式）、Normal（正常模式）、Fault（故障模式）、Standy（旁路模式）及Sleep（睡眠模式）6种工作模式。当整车上电时，TGW进入初始化模式，对硬件进行初始化；Key on时，温控检测各部件的工作状态，如有部件工作状态不正常，则进入故障模式，并将故障状态通过LIN总线反馈给整车控制器，如无故障，则进入正常的工作模式；Key off时，先进入standy模式，如无再次上电情况，则进入sleep模式；如再次Key on，則根据温控网关状态进入Normal或Fault模式。

3.3 软件功能实现流程

软件系统以时间片为工作基准。本系统中，由于要求LIN总线主机节点发送消息给从机节点的周期为5ms，所以时间片选择以5ms为周期的时钟节拍，所有的任务都以5ms为基准节拍进行。产生5ms时钟的节拍源为系统时钟计时器，基准计数时间间隔为1ms，每5ms调度一次基础任务周期。另由基准时间片生成包括20ms周期、100ms周期在内的各种周期时间片。并建立各种时间周期的任务，以便在这些任务中调用相应的函数。系统具体的工作任务分配如下：

4 验证总结

采用LIN总线实现电池液冷系统的加热与冷却，降低了整车CAN总线的负载率，并且能耗低，降低了成本。该温控网关顺利通过了白盒测试、黑盒测试、高温环模试验、夏季路试试验、冬季路试试验、高温耐久试验、驱动耐久试验，验证了电池包冷却和加热都取得了不错的效果，可确保电池包工作在最优的工作范围内，提升了新能源车的整车性能。

【参考文献】

[1]李罡，黄向东，符兴锋，杨勇.液冷动力电池低温加热系统设计研究.《湖南大学学报（自科版）》，2017，44（2）：26-33.

[2]王元哲.纯电动乘用车动力电池液冷热管理结构设计.《合肥工业大学》，2017.

[3]冯能莲，陈龙科，邹广才.新一代液冷电池包制冷和加热系统实验平台研发.《实验技术与管理》，2017，34（4）：70-73.

[4]罗卜尔思.电动汽车动力电池直接接触式液冷系统的研究.《华南理工大学》，2016.endprint