基于LTC6803的单体电池电压采集系统设计 - 全文

随着新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，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。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，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。

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，以及模拟 开 关 配 合电容传输模拟 信 号 的方案等 方 法。此 外，市 场 上已出现单体电 池 测 量专用 芯片，如世界 上 著 名 的芯片厂 商 Ｌｉｎｅａｒ公 司 开 发 的 ＬＴＣ６８０３芯 片，内 部自带多路选通开关 ＡＤＣ，可以在１３ｍｓ内完成多达１２个串联电池的电压的测量，最大总测量误差为０．２５％。

本文采用两片 ＬＴＣ６８０３级联方式采集２４只单体锂离子电池电压，单 片 机 利 用 ＳＰＩ 总 线 启 动ＬＴＣ６８０３电压测量并读取电压。

系统组成与工作原理

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２４只动力电池的在线单体电压监测。该系统主要包括以 ＬＴＣ６８０３为核心的单体电压采集部分，以及以 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２为 核 心 的 ＳＰＩ通 信 和 ＣＡＮ 通 信部分，还有一些外围电路。

ＬＴＣ６８０３是 Ｌｉｎｅａｒ公司的第二代的完整电池监视ＩＣ，内置一个１２位的 ＡＤＣ、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 ＳＰＩ接口。每个 ＬＴＣ６８０３能够测量多达１２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 ＬＴＣ６８０３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 ＭＯＳＦＥＴ 电源开关，用于过度充电的电池进行放电。ＬＴＣ６８０３还提供了一种用于将电源电流减小至１２μＡ 的 待 机模式。ＬＴＣ６８０３ 采 用 ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒ－ｆａｃｅ）方式与外部 ＭＣＵ 通信，具有高抗 ＥＭＩ以及低功耗能力。其结构原理图如图１所示：

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２是 Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公 司 的 一 款４８引 脚１６位的单片机，功 能 强大、资源丰富。内部有３２ＫＦｌａｓｈ，８通道的１０位 ＡＤＣ，１路ＳＰＩ模块，１路支持ＣＡＮ２．０ Ａ 和 ＣＡＮ２．０Ｂ 的 ＣＡＮ 模 块，６ 通 道ＰＷＭ，８通道的１６位定时器模块，满足本文单体电压采集系统对 ＭＣＵ 的需求。

工作原理

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 通 过 ＳＰＩ 总 线 来 启 动 两 片ＬＴＣ６８０３采集 并 读 取 ２４ 只串联的单体电池的电压。采集系统与上级控制系统通过 ＣＡＮ 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ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的定时器来实现对电压的测量，ＣＡＮ信息的发送以及错误的判断等的时序控制。

电压采集硬件电路设计

电压采集功能是由两片 ＬＴＣ６８０３实 现 的。在本文的采集系 统 中，未 开 启 ＬＴＣ６８０３的 均 衡 功 能、以及 ＧＰＩＯ、ＴＥＭＰ 引脚的温度采集功能。 两 片ＬＴＣ６８０３可 采 用 并 联，亦可采用菊花 链式连接。ＬＴＣ６８０３通 过ＩＳ０７４２１，实 现 电 池 与 ＭＣＵ 之 间 的电气 隔 离；ＬＴＣ６８０３与 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２通 过 ＳＰＩ方 式进行通信。ＬＴＣ６８０３电压采集电路如图２所示：

当两片ＬＴＣ６８０３使用菊花链式串联连接时，片选端只需 ＭＣＵ 的一个ＩＯ 口即可，三个二极管需焊

接，顶 端 ＬＴＣ６８０３ 的隔离芯片可不焊，顶 端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引脚拉高，Ｖｍｏｄｅ引脚拉低，底端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引脚拉低，Ｖｍｏｄｅ引脚拉高；当两片 ＬＴＣ６８０３使用并联方式 连接时，片选端 需 ＭＣＵ两个ＩＯ 口，两 片 隔 离 芯 片 需 接 入，去 除 三 个 二 极管，两片６８０３的 ＴＯＳ引 脚 均 拉 低、Ｖｍｏｄｅ引 脚 均拉高。

由于 ＬＴＣ６８３具有内置噪声滤波器的 ΔΣ转换器，抗 ＥＭＩ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６８０３的均衡引脚做悬空处理，不使用其放电控制功能。

ＬＴＣ６８０３的ＳＰＩ通信

采集系统的单体电池的电压，是通过 ＬＴＣ６８０３采集的。ＬＴＣ６８０３与 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２之间是 通 过 ＳＰＩ进行通 信 的。为 了 实 现 ＳＰＩ通 信，首 先 要 弄 清 楚ＬＴＣ６８０３的读写时序。ＬＴＣ６８０３的读、写时序如图３和图４所示。

由读写时序可见，每个 字 节发 送 时 都是高 位 先发送。写时 序 时，ＳＤＩ引脚的逻辑状态在 ＳＣＫＩ的上升沿被所 存。读 数 据 时，在 ＳＣＫＩ的 上 升 沿 被 所存。读时序中，在ＳＣＫｌ的上升沿 ＳＤＯ 引脚的逻辑状态 是 有 效 的，另外需要注意的是，ＬＴＣ６８０３的 是时钟相位和极性要求：ＬＴＣ６８０３的 ＳＰＩ的接口被配置为工作在 ＣＰＨＡ＝Ｉ和 ＣＰＯＬ＝Ｉ的模式下。

本文中两片ＬＴＣ６８０３串联方式连接，故在由单片 机 往 ＬＴＣ６８０３ 发 送 命 令 时，是 先 发 送 高 位ＬＴＣ６８０３的 命 令 数 据，再 发 送 低 位 ＬＴＣ６８０３的 命令数 据；ＬＴＣ６８０３往 单 片 机 时，单片机先接受的是低位 ＬＴＣ６８０３的 数 据，而 后 是 高 位 ６８０３ 的 数 据。根据 ＬＴＣ６８０３ 的 ＳＰＩ的 通 讯 方 式，本 文 以 两 片ＬＴＣ６８０３ 菊花链式连接为例，可 以 写 出ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰｌ初始 化、收发 程 序；向 ＬＴＣ６８０３写配置或 者 命 令；从 ＬＴＣ６８０３ 中读取寄存器值的程序。

（１）ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ初始化、收发程序

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ模 块 的 ＳＳ可 设 为 普 通ＩＯ口 功 能。 本文中采用其余通用 ＩＯ 口，实 现ＬＴＣ６８０３的 ＣＳＢＩ引脚的拉高和拉低。

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ＣＳ＿ｄｉｒ＝１；　 ∥通用片选引脚为输出引脚

ＳＰＩＣＲ１＝０ｘ５ｃ；　∥主机模式；高位起始传送

ＳＰＩＣＲ２＝０ｘ００；　∥主模式故障模式使能禁止

ＳＰＩＢＲ＝０ｘ０２；　∥总线８Ｍ，将ＳＰＩ时钟分频

至１ＭＨｚ

｝

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｅｎｄｄａｔａ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｅｍｐ＿ｓｐｉ；

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＴＥＦ）；　 ∥等 待 数 据 寄 存

器空

ＳＰＩＤＲ＝ｓｅｎｄｄａｔａ；∥将数据写入数据寄存器

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＩＦ）；∥等待数据发送完成

ｔｅｍｐ＿ｓｐｉ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥清空标志

｝

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ；

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＩＦ）；　 ∥等待接收完成

ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥读取数据寄存器

ｒｅｔｕｒｎ（ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ）；

｝

（２）向 ＬＴＣ６８０３写命令

向ＬＴＣ６８０３中写数据，需先发送相应的寄存器命令 和 ＰＥＣ 码，经 校验 无误 后，再写 入数据。６８０３采用菊花链式连接时，先写入的数据为顶端６８０３的数据，然后是中间的６８０３的数据，最后是底端６８０３的数据。以６８０３初始化程序为例，编写程序如下：

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｉ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｏｐ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ＣＳ＝Ｏ；　∥拉低片选，启动写入数据

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；　 ∥ 发 送

写入寄存器命令和 ＰＥＣ码

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｔｏｐ＿ｃｆｇ［ｉ］）；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋ ＋）ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ

［ｉ］）；

ＣＳ＝１；　∥拉高片选，锁存所写数据

｝

（３）从 ＬＴＣ６８０３读取数据

从ＬＴＣ６８０３中读取数据，也需先发送相应的读取寄存器命令和 ＰＥＣ 码，经 校验 无 误 后，再 读 取 数据。６８０３采用菊花链式连接时，先 读 取 的 是 底 端６８０３的数据，然后是中间６８０３的数据，最后是顶端６８０３的数据。ＬＴＣ６８０３在 每 读 取１字 节 的 数 据 之前，需由发送８位 空 字 节 启 动 ＳＰＩ传 送 功 能。以 读取６８０３的配置寄存器值为例，编写程序如下：

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｒｅａｄ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉ；

ＣＳ＝０；

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０２）；ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（０ｘｃｅ）；∥发送读取

寄存器命令和 ＰＥＣ码

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）

｛ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩ＿ＳＰＴＥＦ）；ＳＰＩＤＲ＝０ｘ００；　∥写

入空字节，启动ＳＰＩ传送

ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［ｉ］＝ＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（）；｝

……

ＣＳ＝ｌ；

｝

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２主要调用以上几 个基本的函数，实现对 ＬＴＣ６８０３的一系列 的 读写控制。采 集 系 统的整体流程图如图５所示。首先，对系统时钟、ＳＰＩ、ＣＡＮ、定时器等初始化；循环从读取２４只单体电池电压开始，到 最 终 通 过 ＣＡＮ 总线将单体电压数据上传至上级控制 器，时序 由 定 时 器控 制。单体 电 池电压测量程序流程图如图５所示。

图６是一组电池组通过下位机 ＬＴＣ６８０３采 集的单体电压值与用万用表测量值的比较，可以 看 出下位机的单体电池电压采集精度达到要求。

为了节约电源，本采集 系 统还 设 计 了采集 系 统休眠的功能。当整车 在长时 间静置时，由上级控 制器通过 ＣＡＮ 广播方式，做出采集系统休眠的命令：通过ＳＰＩ可先将ＬＴＣ６８０３配置为低电流方式，然后禁止 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ功能；甚至可禁止 ＣＡＮ 发送功能，只使能 ＣＡＮ 接收中断功能。

本文 采 用 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 和 ＬＴＣ６８０３ 设 计 锂 离子单体电池采集 系 统。该系 统能采集２４只串 联动力电池的电 压，并 通 过 高 速 的 ＣＡＮ 总 线 与 上 级 控制系统通信。经过实 际测试，该 系统的 电压采集精度在＋３ｍＶ。该系统工作稳定可靠，与其他的控制系统集成后，已经试验装车，实现预计功能。