電動汽車鋰離子動力蓄電池單體電池管理控制器LECU設(shè)計

王瑋江（聯(lián)合汽車電子有限公司/同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200030）

0 前言

結(jié)合動力電池技術(shù)的小型純電動乘用車將是3～5年內(nèi)中國自主汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)品，也是我國自主車企的優(yōu)勢。小型純電動乘用車搭載鋰離子動力電池是大多數(shù)自主車企的選擇。優(yōu)良的單體電池管理控制器能夠延長電池使用壽命，提高整車的動力性、經(jīng)濟性和安全性。由于一般鋰離子動力電池均由幾十節(jié)甚至上百節(jié)單體電池構(gòu)成，采用多通道監(jiān)測IC，并在其內(nèi)部集成監(jiān)測與均衡電路的電池管理控制器在管理單體電池上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。其在可靠性、抗干擾能力、提高蓄電池組容量有效利用率以及控制效率上表現(xiàn)尤為突出。

1 單體電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

單體電池控制系統(tǒng)由被控電池、檢測電路、均衡電路和單片機系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機的任務(wù)是實現(xiàn)對被控電池的數(shù)據(jù)采集和荷電狀態(tài)的偏差計算，根據(jù)中央控制器CECU對控制指標的要求做出控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，對被控的單體電池進行電壓均衡控制。

在實際應(yīng)用中，數(shù)個單體電池組成的電池組由一個單體電池管理控制器LECU統(tǒng)一管理。數(shù)個電池組組成一個動力電池模塊。單體電池管理控制器LECU內(nèi)部集成檢測電路與均衡電路。與LECU相關(guān)的外部通信，采用了CAN總線的形式。

圖1 單體電池控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 單體電池管理系統(tǒng)控制器LECU硬件結(jié)構(gòu)原理圖

本文設(shè)計的LECU主要由單體電池監(jiān)控芯片多通道電池監(jiān)測IC、單片機（MCU）以及CAN模塊組成，PCB板內(nèi)部通過SPI通訊。其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 單體電池管理系統(tǒng)控制器LECU硬件實現(xiàn)

3.1 LECU單體電壓監(jiān)測芯片的選擇

圖2 LECU硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 單體電池電壓采集與均衡電路原理圖

在單體電池管理控制器的設(shè)計中，監(jiān)測芯片采用了Linear Technology公司的LTC多通道電池監(jiān)測芯片IC。在電壓檢測與均衡環(huán)節(jié)均采用該芯片。該多通道電池監(jiān)測IC利用12個通道測量多達12個串接電池的電壓，支持放電均衡。

電壓采集與均衡原理如圖3所示:一個由12節(jié)單體電池串聯(lián)而成的鋰離子電池組利用IC的12個通道引腳C1-C12測量12節(jié)單體電池電壓。每個單體電池的正極和負極都引出接線端子，加電阻后送入到多通道電池監(jiān)測IC對應(yīng)的電壓檢測引腳Cn上，Cn與C（n+1）之間加電容形成低通濾波器以消除高頻干擾。

電池均衡利用多通道電池監(jiān)測IC的外部電阻放電功能（External Bleeding），放電 （Bleeding）控制引腳為Sn，與MOS管的柵極相連，放電電阻與MOS管的漏極相連后并聯(lián)在電池的兩端，均衡開始后，由Sn信號控制MOS管的開啟與關(guān)斷，從而控制第n節(jié)電池是否進行放電。放電電阻選擇51/1W電阻。

3.2 LECU主控芯片

圖4 溫度檢測電路

單體電池的電壓信息存儲在多通道電池監(jiān)測IC的暫存器中，數(shù)據(jù)為13位格式的二進制數(shù)據(jù)，根據(jù)電池管理系統(tǒng)協(xié)議，需要對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，并按照協(xié)議制定的規(guī)則通過CAN總線向外傳輸數(shù)據(jù)，因此本文選用Freescale公司的8位單片機MC9S08DZ16作為LECU的主控芯片MCU。

3.3 溫度檢測電路

溫度測量的設(shè)計直接利用主控芯片MC9S08DZ16專門提供的4個溫度測量通道。溫度檢測電路如圖4所示。

其中，GPIO0端口為總電壓輸出口，R33、R34、R35、R36 為分壓電阻，TEMP1-4為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，阻值隨溫度增加而減小，將TEMP1-4的端電壓輸入GPIO1端口，經(jīng)MC9S08DZ16內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換后可得到相應(yīng)的溫度值。

3.4 CAN通訊電路

LECU通過CAN總線與外部通信的電路原理圖如圖5所示。本文采用飛利浦公司的PCA82C250 CAN收發(fā)器來驅(qū)動CAN協(xié)議控制器和物理總線接口，提供對總線的差動發(fā)送和提供對CAN控制器差動接收能力，電源電壓為12V。PCA82C250主要用于驅(qū)動CAN信號的接收和發(fā)送。

另外，為了增強CAN通訊的可靠性，CAN總線的端點通常要加入終端匹配電阻，終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。雙絞線的特性阻抗為120歐，根據(jù)本文的具體要求，選擇120歐的R20，并通過跳線帽J1選擇是否在總線端口連接120歐匹配電阻R20。

3.5 LECU電源模塊的設(shè)計

電源模塊需要把來自車載蓄電池的12V電壓轉(zhuǎn)換成LECU 5V的工作電壓。此外，電源模塊的設(shè)計考慮了提高控制器抗傳導(dǎo)干擾的能力，以應(yīng)付車上電磁環(huán)境復(fù)雜以及減小各部件工作時的傳導(dǎo)發(fā)射干擾。

圖6是對12V電源進行的初步處理。二極管D25是為了防止電源反接時對控制器造成損壞。壓敏電阻R40能夠吸收12V電源上偶爾出現(xiàn)的尖峰過電壓，后續(xù)的三個220微法的大電容C12、C13、C19能夠進一步吸收尖峰過電壓，并且在12V電壓短時跌落時，可以作為臨時的電源對控制器供電，對后續(xù)電路起到穩(wěn)壓作用。去藕電容CF14、CF17能夠消除高頻RF能量。穩(wěn)壓二極管D26進一步對后續(xù)器件提供保護，防止電壓過高燒壞器件。

圖5 CAN模塊原理圖

圖6 對12V電源的處理

圖 7 SPI模塊

3.6 多通道電池監(jiān)測IC與MC9S08DZ16（MCU）之間SPI通信

系統(tǒng)PCB板內(nèi)部通信采用SPI，SPI是“全雙工主從”通訊方式。多通道電池監(jiān)測IC芯片與MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸時，主機程序控制數(shù)據(jù)傳輸，從機的程序必須配合主機完成傳輸過程。

SPI模塊引出的 4 個引腳為 SS、MISO、MOSI、SPSCK，如圖 7。

從機選擇引腳為SS:當(dāng)SS=0時，表示主機選中了該從機，SS=1則未選中該從機。MCU的SPI工作于主機方式，置位高電平。多通道電池監(jiān)測IC工作于從機方式。

參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜齻€引腳是:時鐘SPSCK，主入從出MISO，主出從入MOSI。

主出從入引腳MOSI（Master Out/Slave In）是主機輸出、從機輸入數(shù)據(jù)線，對于MCU被設(shè)置為主機方式，主機送向從機IC的數(shù)據(jù)從該引腳輸出，IC來自主機MCU的數(shù)據(jù)從該引腳輸入。主入從出引腳MISO（Master In/Slave Out）:從機IC的數(shù)據(jù)從該引腳輸入主機MCU，IC送向主機MCU的數(shù)據(jù)從該引腳輸出。SPI串行時鐘引腳SPSCK（SPI Serial Clock）用于控制主機與從機之間的數(shù)據(jù)傳輸，在本文的設(shè)計中串行時鐘信號只能由主機MCU發(fā)出，經(jīng)MCU的SPSCK引腳輸出給從機IC的SPSCK引腳，控制整個數(shù)據(jù)傳輸過程。在MCU啟動一次傳送過程中，自動產(chǎn)生8個時鐘周期信號從SPSCK引腳輸出，SPSCK信號的一個跳變進行一位數(shù)據(jù)移位過程。

多通道電池監(jiān)測IC將采集到的12位電壓數(shù)據(jù)從其內(nèi)部寄存器通過四線SPI給MCU傳遞數(shù)據(jù)。移位寄存器為8位，每一工作過程相互傳送8位數(shù)據(jù)。主機MCU發(fā)出啟動傳輸信號，此時要傳送的數(shù)據(jù)裝入8位移位寄存器，同時產(chǎn)生8個時鐘周期信號從SPSCK引腳輸出，SPSCK信號的一個跳邊進行一位數(shù)據(jù)移位過程。在SPSCK信號的控制下主機中8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)依次從MOSI引腳送出，到從機的MOSI引腳送入它的8位移位寄存器，此時，從機的數(shù)據(jù)也通過MISO引腳到主機中。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。在初始化時MCU需要將8位數(shù)據(jù)寫到多通道監(jiān)測IC指定的控制寄存器來選擇IC的工作模式，信息幀必須包含芯片地址、寄存器地址和數(shù)據(jù)。IC規(guī)定了一條信息幀的長度為3個字節(jié)，即24bits，根據(jù)讀和寫的不同，信息幀的格式分別為:

寫操作（如圖8所示）:

MCU將8位數(shù)據(jù)通過SPI寫入IC中指定的控制寄存器，其中D23-D18為被寫入的IC芯片地址;D17-D12為寄存器地址;D11-D4為需要寫入的數(shù)據(jù);當(dāng)控制位D3被置為0時，D23-D18芯片地址有效。當(dāng)控制位D3被置為1時，D23-D18芯片地址無效，針對所有IC芯片。

圖8 24位寫操作格式

電壓數(shù)據(jù)讀取操作:

通過SPI MCU從IC芯片中讀取12位單體電池電壓數(shù)據(jù)，其中D23-D18為被讀取的監(jiān)測IC芯片地址;D17-D14為該芯片電壓采集通道地址;D13-D2為讀取的電壓數(shù)據(jù);D1-D0為CRC校驗碼。

寄存器讀取操作:

MCU從IC芯片中指定的寄存器讀取8位數(shù)據(jù)，其中D23-D18為被讀取的IC芯片地址;D17-D12為寄存器地址;D11-D4為讀取的寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù);D3-D2為附加位，都為0;D1-D0為CRC校驗碼。

4 結(jié)論

采用多通道電壓監(jiān)測IC來控制管理電動汽車動力電池各單體的充放電，并在LECU控制器內(nèi)部集成監(jiān)測與均衡電路以及向外通訊的CAN模塊。本文所使用的Freescale公司8位單片機MC9S08DZ16作為LECU的控制芯片 MCU，因其采用SPI進行PCB板內(nèi)部的通訊，使得設(shè)計簡潔。圍繞該芯片完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，該設(shè)計具有控制實時性好，抗干擾性強等特點。本系統(tǒng)適用于以鋰離子動力蓄電池組為動力的小型純電動乘用車。

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