基于LTC6803的單體電池電壓采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

隨著新能源和環(huán)境污染問題在全球發(fā)展過程中被高度關(guān)注，作為清 潔 能源的動(dòng) 力 電池越 來 越受到重視。鋰離子電池 以 其能 量 密 度 高、平 均輸出電 壓高、輸出功率大、循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，將成為未 來 電動(dòng)汽車 動(dòng) 力 電 池 的市場主力。一個(gè)有效的電池管理系統(tǒng)能對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)、延長其使用壽命及提高行駛里程，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā) 展 和 推 廣 的 一 項(xiàng) 非 常 關(guān) 鍵 的 系 統(tǒng) 工程。在串聯(lián)的動(dòng)力電池組中，單體鋰電池的電池狀態(tài)，如電壓和溫度的監(jiān)測，是電池管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。單體電壓的數(shù)據(jù)最為豐富，能夠表 征電池組內(nèi)每一個(gè)單體狀態(tài)和特征的物理量，還可 以反應(yīng)電池組整體的狀態(tài)，如一致性等。此外，對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)測，還能防止過沖和過放。因此，電池單體電壓采集對(duì)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都有比較高的要求。

分別對(duì)電池的單體測量方法進(jìn)行了總結(jié)，包括電阻分 壓、光 耦 隔 離 運(yùn) 放、利用線性 光電耦合器進(jìn)行 模 擬 信號(hào)傳 導(dǎo)，以及模擬 開 關(guān) 配 合電容傳輸模擬 信 號(hào) 的方案等 方 法。此 外，市 場 上已出現(xiàn)單體電 池 測 量專用 芯片，如世界 上 著 名 的芯片廠 商 Ｌｉｎｅａｒ公 司 開 發(fā) 的 ＬＴＣ６８０３芯 片，內(nèi) 部自帶多路選通開關(guān) ＡＤＣ，可以在１３ｍｓ內(nèi)完成多達(dá)１２個(gè)串聯(lián)電池的電壓的測量，最大總測量誤差為０．２５％。

本文采用兩片 ＬＴＣ６８０３級(jí)聯(lián)方式采集２４只單體鋰離子電池電壓，單 片 機(jī) 利 用 ＳＰＩ 總 線 啟 動(dòng)ＬＴＣ６８０３電壓測量并讀取電壓。

系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)組成

本文研究的串聯(lián)的鋰離子電池采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)２４只動(dòng)力電池的在線單體電壓監(jiān)測。該系統(tǒng)主要包括以 ＬＴＣ６８０３為核心的單體電壓采集部分，以及以 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２為 核 心 的 ＳＰＩ通 信 和 ＣＡＮ 通 信部分，還有一些外圍電路。

ＬＴＣ６８０３是 Ｌｉｎｅａｒ公司的第二代的完整電池監(jiān)視ＩＣ，內(nèi)置一個(gè)１２位的 ＡＤＣ、一個(gè)精準(zhǔn)型電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路 復(fù) 用 器 和一 個(gè) 串 行 ＳＰＩ接口。每個(gè) ＬＴＣ６８０３能夠測量多達(dá)１２個(gè)串接電池或者超級(jí)電筒的電壓。通過一個(gè)獨(dú)特的電位移位接口可以把多個(gè) ＬＴＣ６８０３器件串聯(lián)起來，而無需光耦隔離器，以監(jiān)視長串的串聯(lián)電池中的每只單體電壓。每個(gè)電池輸入都具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的 ＭＯＳＦＥＴ 電源開關(guān)，用于過度充電的電池進(jìn)行放電。ＬＴＣ６８０３還提供了一種用于將電源電流減小至１２μＡ 的 待 機(jī)模式。ＬＴＣ６８０３ 采 用 ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒ－ｆａｃｅ）方式與外部 ＭＣＵ 通信，具有高抗 ＥＭＩ以及低功耗能力。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖１所示：

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２是 Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公 司 的 一 款４８引 腳１６位的單片機(jī)，功 能 強(qiáng)大、資源豐富。內(nèi)部有３２ＫＦｌａｓｈ，８通道的１０位 ＡＤＣ，１路ＳＰＩ模塊，１路支持ＣＡＮ２．０ Ａ 和 ＣＡＮ２．０Ｂ 的 ＣＡＮ 模 塊，６ 通 道ＰＷＭ，８通道的１６位定時(shí)器模塊，滿足本文單體電壓采集系統(tǒng)對(duì) ＭＣＵ 的需求。

工作原理

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 通 過 ＳＰＩ 總 線 來 啟 動(dòng) 兩 片ＬＴＣ６８０３采集 并 讀 取 ２４ 只串聯(lián)的單體電池的電壓。采集系統(tǒng)與上級(jí)控制系統(tǒng)通過 ＣＡＮ 總 線 通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池單體電壓的在線監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對(duì)采集系統(tǒng)的休眠與啟動(dòng)控制。整個(gè)采集系統(tǒng)通過ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測量，ＣＡＮ信息的發(fā)送以及錯(cuò)誤的判斷等的時(shí)序控制。

電壓采集硬件電路設(shè)計(jì)

電壓采集功能是由兩片 ＬＴＣ６８０３實(shí) 現(xiàn) 的。在本文的采集系 統(tǒng) 中，未 開 啟 ＬＴＣ６８０３的 均 衡 功 能、以及 ＧＰＩＯ、ＴＥＭＰ 引腳的溫度采集功能。 兩 片ＬＴＣ６８０３可 采 用 并 聯(lián)，亦可采用菊花 鏈?zhǔn)竭B接。ＬＴＣ６８０３通 過ＩＳ０７４２１，實(shí) 現(xiàn) 電 池 與 ＭＣＵ 之 間 的電氣 隔 離；ＬＴＣ６８０３與 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２通 過 ＳＰＩ方 式進(jìn)行通信。ＬＴＣ６８０３電壓采集電路如圖２所示：

當(dāng)兩片ＬＴＣ６８０３使用菊花鏈?zhǔn)酱?lián)連接時(shí)，片選端只需 ＭＣＵ 的一個(gè)ＩＯ 口即可，三個(gè)二極管需焊

接，頂 端 ＬＴＣ６８０３ 的隔離芯片可不焊，頂 端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉高，Ｖｍｏｄｅ引腳拉低，底端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉低，Ｖｍｏｄｅ引腳拉高；當(dāng)兩片 ＬＴＣ６８０３使用并聯(lián)方式 連接時(shí)，片選端 需 ＭＣＵ兩個(gè)ＩＯ 口，兩 片 隔 離 芯 片 需 接 入，去 除 三 個(gè) 二 極管，兩片６８０３的 ＴＯＳ引 腳 均 拉 低、Ｖｍｏｄｅ引 腳 均拉高。

由于 ＬＴＣ６８３具有內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ轉(zhuǎn)換器，抗 ＥＭＩ的能力 也 較 高，故無需使用其他的信號(hào)調(diào)理電路。由于本文中的電池管理系統(tǒng)暫時(shí)還未具有充電均衡管理功能，故將６８０３的均衡引腳做懸空處理，不使用其放電控制功能。

ＬＴＣ６８０３的ＳＰＩ通信

采集系統(tǒng)的單體電池的電壓，是通過 ＬＴＣ６８０３采集的。ＬＴＣ６８０３與 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２之間是 通 過 ＳＰＩ進(jìn)行通 信 的。為 了 實(shí) 現(xiàn) ＳＰＩ通 信，首 先 要 弄 清 楚ＬＴＣ６８０３的讀寫時(shí)序。ＬＴＣ６８０３的讀、寫時(shí)序如圖３和圖４所示。

由讀寫時(shí)序可見，每個(gè) 字 節(jié)發(fā) 送 時(shí) 都是高 位 先發(fā)送。寫時(shí) 序 時(shí)，ＳＤＩ引腳的邏輯狀態(tài)在 ＳＣＫＩ的上升沿被所 存。讀 數(shù) 據(jù) 時(shí)，在 ＳＣＫＩ的 上 升 沿 被 所存。讀時(shí)序中，在ＳＣＫｌ的上升沿 ＳＤＯ 引腳的邏輯狀態(tài) 是 有 效 的，另外需要注意的是，ＬＴＣ６８０３的 是時(shí)鐘相位和極性要求：ＬＴＣ６８０３的 ＳＰＩ的接口被配置為工作在 ＣＰＨＡ＝Ｉ和 ＣＰＯＬ＝Ｉ的模式下。

本文中兩片ＬＴＣ６８０３串聯(lián)方式連接，故在由單片 機(jī) 往 ＬＴＣ６８０３ 發(fā) 送 命 令 時(shí)，是 先 發(fā) 送 高 位ＬＴＣ６８０３的 命 令 數(shù) 據(jù)，再 發(fā) 送 低 位 ＬＴＣ６８０３的 命令數(shù) 據(jù)；ＬＴＣ６８０３往 單 片 機(jī) 時(shí)，單片機(jī)先接受的是低位 ＬＴＣ６８０３的 數(shù) 據(jù)，而 后 是 高 位 ６８０３ 的 數(shù) 據(jù)。根據(jù) ＬＴＣ６８０３ 的 ＳＰＩ的 通 訊 方 式，本 文 以 兩 片ＬＴＣ６８０３ 菊花鏈?zhǔn)竭B接為例，可 以 寫 出ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰｌ初始 化、收發(fā) 程 序；向 ＬＴＣ６８０３寫配置或 者 命 令；從 ＬＴＣ６８０３ 中讀取寄存器值的程序。

（１）ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ初始化、收發(fā)程序

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ模 塊 的 ＳＳ可 設(shè) 為 普 通ＩＯ口 功 能。 本文中采用其余通用 ＩＯ 口，實(shí) 現(xiàn)ＬＴＣ６８０３的 ＣＳＢＩ引腳的拉高和拉低。

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ＣＳ＿ｄｉｒ＝１；　 ∥通用片選引腳為輸出引腳

ＳＰＩＣＲ１＝０ｘ５ｃ；　∥主機(jī)模式；高位起始傳送

ＳＰＩＣＲ２＝０ｘ００；　∥主模式故障模式使能禁止

ＳＰＩＢＲ＝０ｘ０２；　∥總線８Ｍ，將ＳＰＩ時(shí)鐘分頻

至１ＭＨｚ

｝

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｅｎｄｄａｔａ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｅｍｐ＿ｓｐｉ；

ｗｈｉｌｅ（?。樱校桑樱遥撸樱校裕牛疲?；　 ∥等 待 數(shù) 據(jù) 寄 存

器空

ＳＰＩＤＲ＝ｓｅｎｄｄａｔａ；∥將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器

ｗｈｉｌｅ（?。樱校桑樱遥撸樱校桑疲弧蔚却龜?shù)據(jù)發(fā)送完成

ｔｅｍｐ＿ｓｐｉ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥清空標(biāo)志

｝

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ；

ｗｈｉｌｅ（?。樱校桑樱遥撸樱校桑疲?；　 ∥等待接收完成

ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥讀取數(shù)據(jù)寄存器

ｒｅｔｕｒｎ（ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ）；

｝

（２）向 ＬＴＣ６８０３寫命令

向ＬＴＣ６８０３中寫數(shù)據(jù)，需先發(fā)送相應(yīng)的寄存器命令 和 ＰＥＣ 碼，經(jīng) 校驗(yàn) 無誤 后，再寫 入數(shù)據(jù)。６８０３采用菊花鏈?zhǔn)竭B接時(shí)，先寫入的數(shù)據(jù)為頂端６８０３的數(shù)據(jù)，然后是中間的６８０３的數(shù)據(jù)，最后是底端６８０３的數(shù)據(jù)。以６８０３初始化程序?yàn)槔?，編寫程序如下?/p>

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｉ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｏｐ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ＣＳ＝Ｏ；　∥拉低片選，啟動(dòng)寫入數(shù)據(jù)

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；　 ∥ 發(fā) 送

寫入寄存器命令和 ＰＥＣ碼

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｔｏｐ＿ｃｆｇ［ｉ］）；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋ ＋）ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ

［ｉ］）；

ＣＳ＝１；　∥拉高片選，鎖存所寫數(shù)據(jù)

｝

（３）從 ＬＴＣ６８０３讀取數(shù)據(jù)

從ＬＴＣ６８０３中讀取數(shù)據(jù)，也需先發(fā)送相應(yīng)的讀取寄存器命令和 ＰＥＣ 碼，經(jīng) 校驗(yàn) 無 誤 后，再 讀 取 數(shù)據(jù)。６８０３采用菊花鏈?zhǔn)竭B接時(shí)，先 讀 取 的 是 底 端６８０３的數(shù)據(jù)，然后是中間６８０３的數(shù)據(jù)，最后是頂端６８０３的數(shù)據(jù)。ＬＴＣ６８０３在 每 讀 ?。弊?節(jié) 的 數(shù) 據(jù) 之前，需由發(fā)送８位 空 字 節(jié) 啟 動(dòng) ＳＰＩ傳 送 功 能。以 讀?。叮福埃车呐渲眉拇嫫髦禐槔帉懗绦蛉缦拢?/p>

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｒｅａｄ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉ；

ＣＳ＝０；

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０２）；ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（０ｘｃｅ）；∥發(fā)送讀取

寄存器命令和 ＰＥＣ碼

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）

｛ｗｈｉｌｅ（?。樱校桑撸樱校裕牛疲?；ＳＰＩＤＲ＝０ｘ００；　∥寫

入空字節(jié)，啟動(dòng)ＳＰＩ傳送

ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［ｉ］＝ＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（）；｝

……

ＣＳ＝ｌ；

｝

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２主要調(diào)用以上幾 個(gè)基本的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì) ＬＴＣ６８０３的一系列 的 讀寫控制。采 集 系 統(tǒng)的整體流程圖如圖５所示。首先，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、ＳＰＩ、ＣＡＮ、定時(shí)器等初始化；循環(huán)從讀?。玻粗粏误w電池電壓開始，到 最 終 通 過 ＣＡＮ 總線將單體電壓數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)控制 器，時(shí)序 由 定 時(shí) 器控 制。單體 電 池電壓測量程序流程圖如圖５所示。

圖６是一組電池組通過下位機(jī) ＬＴＣ６８０３采 集的單體電壓值與用萬用表測量值的比較，可以 看 出下位機(jī)的單體電池電壓采集精度達(dá)到要求。

為了節(jié)約電源，本采集 系 統(tǒng)還 設(shè) 計(jì) 了采集 系 統(tǒng)休眠的功能。當(dāng)整車 在長時(shí) 間靜置時(shí)，由上級(jí)控 制器通過 ＣＡＮ 廣播方式，做出采集系統(tǒng)休眠的命令：通過ＳＰＩ可先將ＬＴＣ６８０３配置為低電流方式，然后禁止 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ功能；甚至可禁止 ＣＡＮ 發(fā)送功能，只使能 ＣＡＮ 接收中斷功能。

本文 采 用 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 和 ＬＴＣ６８０３ 設(shè) 計(jì) 鋰 離子單體電池采集 系 統(tǒng)。該系 統(tǒng)能采集２４只串 聯(lián)動(dòng)力電池的電 壓，并 通 過 高 速 的 ＣＡＮ 總 線 與 上 級(jí) 控制系統(tǒng)通信。經(jīng)過實(shí) 際測試，該 系統(tǒng)的 電壓采集精度在＋３ｍＶ。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，與其他的控制系統(tǒng)集成后，已經(jīng)試驗(yàn)裝車，實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能。