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1、第2 7 卷第3 期 2 0 1 3 年9 月 传动技术 D R I V ES Y S T E MT E C H N I Q U E V 0 1 2 7N o 3 S e p t e m b e r2 0 1 3 文章编号:1 0 0 6 8 2 4 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 - 1 9 0 4 基于L T C 6 8 0 3 的单体电池电压采集系统设计 D a t aA c q u i s i t i o nS y s t e mf o rM o n o m e r B a t t e r yB a s e do nL T C 6 8 0 3 谢旺吴红杰黄宏成 ( 上海交通大学汽车
2、电子控制国家工程实验室,上海2 0 0 2 4 0 ) XIEW a n gW U H o n g j i eH U A N G H o n g c h e n g T T” t 一, 一 一一 一 一 ( V a t z o n a 乜n g z n e e r z n gL a b o r a t o t v 广o rA u t o m o t i v eE l e c t r o n z CC o n t r o l T e c h n o l o g y ,S h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i
3、2 0 0 2 4 0 ) 摘要 设计了一种基于L T C 6 8 0 3 的单体电池电压采集系统。通过两片L T C 6 8 0 3 及单片机,实现了2 4 只单 体锂离子电池的电压采集;两片L T C 6 8 0 3 可灵活采用并联方式或级联方式连接。采集系统通过C A N 总线 与上级控制器进行通讯。文中对系统的整体结构和工作原理进行了介绍,并给出了具体的硬件电路和软件 的设计方案。 A b s t r a c t Ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rm o n o m e rl i t h i u m - i o nb a t t
4、e r yi sd e s i g n e db a s e do nb a t t e r ym o n i t o r i n gI CL T C 6 8 0 3a n dM C U B yc o n n e c t i n gt w oL T C 6 8 0 3d e v i c e si ns e r i e so ri np a r a l l e l ,t h i ss y s t e mS U C c e e d st om e a s u r ev o l t a g e so f2 4l i t h i u m i o nb a t t e r i e sw h i c hi
5、 sc o n n e c t e di ns e r i e s T h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e r nc o m m u n i c a t e sw i t ht h ep o s i t i o nm a c h i n eo fl i t h i u m i o nb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mb yC A Nb u s ( C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k ) T h i sp a p e ri n t r o d u c e
6、st h ei n t e g r a ls t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h es y s t e m , a n dg i v e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 关键词:L T C 6 8 0 3S P I电池单体电压 K e yw o r d s :L T C 6 8 03S P I V o l t a g eo fm o n o m e rb a t t e r y 中图分类号:U 4 7 3 9文献标识码:B 随着新
7、能源和环境污染问题在全球发展过程中 被高度关注,作为清洁能源的动力电池越来越受到 重视。锂离子电池以其能量密度高、平均输出电压 高、输出功率大、循环性能优越、可快速充放电、无记 忆效应等特点 1 ,将成为未来电动汽车动力电池的 市场主力。一个有效的电池管理系统能对动力电池 进行保护、延长其使用寿命及提高行驶里程,是电动 汽车产业发展和推广的一项非常关键的系统工 程 2 。3 。在串联的动力电池组中,单体锂电池的电池 状态,如电压和温度的监测,是电池管理系统中的关 键组成部分。单体电压的数据最为丰富,能够表征 电池组内每一个单体状态和特征的物理量,还可以 反应电池组整体的状态,如一致性等。此外,
8、对单体 电池进行监测,还能防止过冲和过放。因此,电池单 体电压采集对采集的准确性和实时性都有比较高的 要求。 文献 4 、E 5 1 分别对电池的单体测量方法进行 了总结,包括电阻分压、光耦隔离运放、利用线性光 电耦合器进行模拟信号传导口 ,以及模拟开关配合 电容传输模拟信号的方案口3 等方法。此外,市场上 已出现单体电池测量专用芯片8 | ,如世界上著名的 芯片厂商L i n e a r 公司开发的L T C 6 8 0 3 芯片,内部 自带多路选通开关A D C ,可以在1 3m s 内完成多达 1 2 个串联电池的电压的测量,最大总测量误差为 0 2 5 。 本文采用两片L T C 6
9、8 0 3 级联方式采集2 4 只单 体锂离子电池电压,单片机利用S P I 总线启动 L T C 6 8 0 3 电压测量并读取电压。 1 系统组成与工作原理 1 1 系统组成 本文研究的串联的锂离子电池采集系统能够实 现2 4 只动力电池的在线单体电压监测。该系统主 要包括以L T C 6 8 0 3 为核心的单体电压采集部分,以 及以M C 9 S 1 2 C 3 2 为核心的S P I 通信和C A N 通信 部分,还有一些外围电路。 一】9 一 万方数据 谢旺等:基于I T C 6 8 0 3 的单体电池电压采集系统设计 I 。T C 6 8 0 3 是L i n e a r 公司的
10、第二代的完整电池 监视I C ,内置一个12 位的A D C 、一个精准型电压基 准、一个高电压输入多路复用器和一个串行S P I 接 口。每个I T C 6 8 0 3 能够测量多达1 2 个串接电池或 者超级电筒的电压。通过一个独特的电位移位接口 可以把多个L T C 6 8 0 3 器件串联起来,而无需光耦隔 离器,以监视长串的串联电池中的每只单体电压。 每个电池输入都具有一个相关联的M ( ) S F E T 电源 开关,用于过度充电的电池进行放电。I 。T C 6 8 0 3 还 提供了一种用于将电源电流减小至1 2 肚A 的待机 模式。I 。T C 6 8 0 3 采用S P I
11、( S e r i a lP e r i p h e r a lI n t e r f a c e ) 方式与外部M C U 通信,具有高抗E M I 以及低 功耗能力。其结构原理图如图1 所示: M C 9 S 1 2 C 3 2 是F r e e s c a l e 公司的一款4 8 引脚 1 6 位的单片机,功能强大、资源丰富。内部有3 2K F l a s h ,8 通道的1 0 位A D C ,1 路S P I 模块。1 路支持 C A N2 0A 和C A N2 0B 的C A N 模块,6 通道 P W M ,8 通道的1 6 位定时器模块,满足本文单体电 压采集系统对M C U
12、 的需求。 1 2 工作原理 M C 9 S 1 2 C 3 2 通过S P I 总线来启动两片 L T C 6 8 0 3 采集并读取2 4 只串联的单体电池的电 压。采集系统与上级控制系统通过C A N 总线通 信,实现对动力电池单体电压的在线监测,并实现对 采集系统的休眠与启动控制。整个采集系统通过 M C 9 S 1 2 C 3 2 的定时器来实现对电压的测量,C A N 信息的发送以及错误的判断等的时序控制。 2电压采集硬件电路设计 电压采集功能是由两片L T C 6 8 0 3 实现的。在 本文的采集系统中,未开启I T C 6 8 0 3 的均衡功能、 以及G P I O 、T
13、E M P 引脚的温度采集功能。两片 L T C 6 8 0 3 可采用并联,亦可采用菊花链式连接。 L T C 6 8 0 3 通过I S 0 7 4 2 1 ,实现电池与M C U 之间的 电气隔离;I 。T C 6 8 0 3 与M C 9 S 1 2 C 3 2 通过S P I 方式 进行通信。L T C 6 8 0 3 电压采集电路如图2 所示: 图2L T C 6 8 u 3 采集单体电压电路 F i g 2 C i r c u i td i a g r a mf o rc e l lv o l t a g ea c q u i s i t i o n 当两片L T C 6 8 0
14、 3 使用菊花链式串联连接时,片 选端只需M C U 的一个I ( ) 口即可,三个二极管需焊 接,顶端L T C 6 8 0 3 的隔离芯片可不焊,顶端 I T C 6 8 0 3 的T ( ) S 引脚拉高,V m o d e 引脚拉低,底端 L T C 6 8 0 3 的T ( ) S 引脚拉低。V m o d e 引脚拉高;当两 2 0 一 片L T C 6 8 0 3 使用并联方式连接时,片选端需M C U 两个I ( ) 口,两片隔离芯片需接人,去除三个二极 管,两片6 8 0 3 的T O S 引脚均拉低、V m o d e 引脚均 拉高。 由于I T C 6 8 3 具有内置噪
15、声滤波器的转换 图腿麟 m 掏L结甜 培 m 8 H 啪 蜡 T D 图瞰 万方数据 谢旺等:基于L T C 6 8 0 3 的单体电池电压采集系统设计 器,抗E M I 的能力也较高,故无需使用其他的信号 调理电路。由于本文中的电池管理系统暂时还未 具有充电均衡管理功能,故将6 8 0 3 的均衡引脚做悬 空处理,不使用其放电控制功能。 3L T C 6 8 0 3 的S P I 通信 采集系统的单体电池的电压,是通过L T C 6 8 0 3 采集的。I T C 6 8 0 3 与M c g s l 2 C 3 2 之间是通过S P I 进行通信的。为了实现S P I 通信,首先要弄清楚
16、L T C 6 8 0 3 的读写时序。I T C 6 8 0 3 的读、写时序如图 3 和冈4 昕示 c s e - 、。厂 “ x 一 八八。八八。,代 洲二涎囤日叉互歹一 s n o 酸致 劁3I T C 6 8 0 3 渎时序 F i g 3 T r a n s m i s s i o nF o r m a t ( R e a d ) 厂 轧x - 八八。八八。代 二憋面园C 夏至随夏至芤 罔l I ,T ( 、6 8 0 3 写时序 F i g 4 T r a n s m i s s i o nF o r m a t ( W r i t e ) 由读写时序可见,每个字节发送时都是高位
17、先 发送。写时序时,S D I 引脚的逻辑状态在S C K I 的 上升沿被所存。读数据时,在S C K I 的上升沿被所 存。读时序中,在S C K I 的上升沿S D ( ) 引脚的逻辑 状态是有效的另外需要注意的是,I T C 6 8 0 3 的是 时钟相位和极性要求:L T C 6 8 0 3 的S P I 的接口被配 置为r 作在C P H A 一1 和C P ( ) L I 的模式下。 本文中两片I T C 6 8 0 3 串联方式连接。故在由单 片机往L T C 6 8 0 3 发送命令时,是先发送高位 I 。T C 6 8 0 3 的命令数据再发送低位I 。T C 6 8 0
18、3 的命 令数据;L T C 6 8 0 3 往单片机时,单片机先接受的是 低位I T C 6 8 0 3 的数据,而后是高位6 8 0 3 的数据。 根据I T C 6 8 0 3 的S P I 的通讯方式,本文以两片 I 。T C 6 8 0 3 菊花链式连接为例,可以写出 M C 9 S 1 2 C 3 2 的S P l 初始化、收发程序;向L T C 6 8 0 3 写配置或者命令;从I T C 6 8 0 3 中读取寄存器值的 程序。 ( 1 ) M C 9 S 1 2 C 3 2 的S P I 初始化、收发程序 M C 9 S 1 2 C 3 2 的S P I 模块的S S 可设为
19、普通I O 口功能。本文中采用其余通用I O 口,实现 L T C 6 8 0 3 的C S B I 引脚的拉高和拉低。 v o i dS P I I n i t ( v o i d ) C Sd i r = 1 ;通用片选引脚为输出引脚 S P I C R l 一O x 5 c ;主机模式;高位起始传送 S P I C R 2 0 x 0 0 ;主模式故障模式使能禁止 S P I B R 一0 x 0 2 ;总线8M ,将S P I 时钟分频 至lM H Z v o i dS P IS e n d ( u n s i g n e dc h a rs e n d d a t a ) u n s
20、 i g n e dc h a rt e m p s p i : w h i l e ( ! S P I S R S P T E F ) ;等待数据寄存 器空 S P I D R = s e n d d a t a ;将数据写入数据寄存器 w h i l e ( ! S P I S R S P I F ) ;等待数据发送完成 t e m p s p i S P I D R ; 清空标志 u n s i g n e dc h a rS P I R e c e i v e ( v o i d ) u n s i g n e dc h a rr e c e i v e d a t a ; w h i
21、 l e ( ! S P I S R S P I F ) ;等待接收完成 r e c e i v e d a t a = S P I D R ;读取数据寄存器 r e t u r n ( r e c e i v e d a t a ) ; ( 2 ) 向I T C 6 8 0 3 写命令 向L T C 6 8 0 3 中写数据,需先发送相应的寄存器 命令和P E C 码,经校验无误后再写入数据。6 8 0 3 采用菊花链式连接时,先写入的数据为顶端6 8 0 3 的 数据,然后是中间的6 8 0 3 的数据,最后是底端6 8 0 3 的数据。以6 8 0 3 初始化程序为例,编写程序如下: v o i dL T C 6 8 0 3 一I n i t ( v o i d ) u n s i g n e dc h a ri ; u n s i g n e dc h a rt o p c f g 7 一 ; u n s i g n e dc h a rb o t t o m c f g 7 一 ; C S = 0 ;拉低片选,启动写入数据 S P I S e n d ( 0 x 0 1 ) S P I S e n d ( 0 x 0 1 ) ; 发送 写入寄存器命令和P E C 码 f o r ( i 一0 ;i IQ口oIIo_【II 旧御基哥 万方数据
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