谢冬雪;唐祯安;蔡泓;黄伟奇
【摘 要】采用\"主从式\"的拓扑结构,设计了一种以STM32和LTC6804为核心的电池管理系统.两板间通过SP I进行通信,配合电流、电压、温度采集电路、均衡电路等,实现对12串锂电池组的管理,延长电池组使用寿命;同时用LabVIEW编写了上位机监控界面,可对电池管理系统采集的数据进行实时显示,对历史数据进行保存,以便后续的处理及分析.实验证明该管理系统有较高的精度,表明该系统的实用性和有效性.水晶版画
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)010
【总页数】锰铁合金5页(P63-67)
【关键词】电池管理系统;STM32;LTC6804;LabVIEW
【作 者】谢冬雪;唐祯安;蔡泓;黄伟奇
【作者单位】大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连 116024;大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连 116024;大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连 116024;大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁大连 116024
【正文语种】中 文
【中图分类】U496
0 引言
近年来，环境污染和能源危机已成为世界各国所面临的两大难题[1]。开发低污染的新能源汽车是汽车工业的必然趋势，电动汽车作为新能源汽车之一，由于其能耗低、污染小、能源利用多样化、能源可再生等优势，引起了国际社会的高度关注[2]。锂电池由于具备高输出、高比能量、工作温度范围宽、高比功率以及平稳放电性等优点已成为未来最具发展潜力的二次电池，也被看作是电动汽车动力电池的不二选择。
而现有的动力电池单体一般采取多组串并联使用，需要管理的电池数量也更加庞大，成组后的电池由于在初始容量、自放电率、内阻等方面存在不一致性，严重影响其使用效果[3]，
并且可能存在安全隐患，例如，过热或电流过大引发电池爆炸或着火，危及人身安全[4-5]。因此为其配备相应的电池管理系统至关重要[6]，一方面可将电池组的性能发挥到最佳状态，安全隐患降到最低，使电动汽车的动力性能达到最佳水平；另一方面可改善电池组的使用环境、健康状态，降低电池更换和维护的成本，延长电池使用寿命，增加汽车的续驶里程。
agv驱动器
1 系统整体结构设计
本系统以12节锂电池串联而成的电池组作为管理对象，采用“主从式”的拓扑结构对系统进行设计，该拓扑结构相比于“分布式”结构节约了成本，相比于“集中式”结构减轻了主控制器的工作负担。其系统的整体结构设计如图1所示。该系统由主控板和采集板2个模块构成，两板间通过SPI进行数据交换。主控板主要由微控制器(MCU)、电流采集电路、供电电路、蜂鸣报警电路、数据存储电路、环境温度测量电路组成，通过USB转串口和PC上位机进行通信；该模块主要完成对采集的数据进行汇总和处理，并对处理后的数据进行显示和存储，判断电池的状态，估算电池的荷电状态(state of charge，SOC)，若检测到故障或发生危险立即报警。采集板主要由电池组监测IC、单体电压采集电路、均衡电路、温度采集电
路、隔离供电电路组成，主要完成对单体电池电压、测量点温度的采集，同时进行均衡管理等功能。
图1 系统整体结构设计框图
2 硬件设计
2.1 主控板硬件设计
主控板的微控制器采用基于ARM的32位Cortex-M4 内核的芯片STM32F429IGT6，该芯片的主频为180 MHz，具有3个12位ADC以及 140个通用I/O口等配置，有强大的数据处理能力，较好的稳定性及较强的抗干扰能力，可完全满足汽车级微处理器的相关要求。
2.1.1 电流采集电路
电流监测对于剩余电量的估算精度和系统安全性有重大影响，这对其采样精度提出了较高的要求。霍尔传感器具有精度高、线性度好等优点，因而本系统选用了灵敏度为20 mV/A，测量范围为-100～+100 A的霍尔电流传感器ACS758LCB-100B。该传感器供电电
压一般采用5 V，输出与输入的关系为Viout=0.5Vcc+IpS(其中Viout为电流传感器输出的电压值，Vcc为供电电压，Ip为测量电流，S为灵敏度)，故输出电压介于0.5～4.5 V之间。电流采集电路如图2所示。
在Viout后接一个电压跟随器，目的为降低输出阻抗，实现与MCU的ADC通道阻抗更好的匹配。因微处理器的ADC的输入电压为0～3.3 V，在电压跟随器后采用电阻分压，将电压缩小为原来的1/2，所得电压可直接用于ADC转换。为判断充放电状态，在Viout后接电压比较器，可根据电压比较器输出端PD11的状态判断充放电状态。假设放电为正，则Viout>Vcc/2=2.5 V，PD11为高电平，则判断电池处于放电状态；反之为充电状态。
图2 电流采集电路原理图
2.2 采集板硬件设计
采集板的电池组监控芯片采用第三代电池组监测专用芯片LTC6804，每片LTC6804最多可监测12节串联的电池单体。此外，LTC6804所提供的isoSPI通信模式，相比于传统的电路设计，能适应较为复杂的电磁干扰环境，并可实现高速通信，更适合用于电动汽车等特定的工作环境[7]，并且采样精度相对较高。
2.2.1 单体电压采集及均衡管理
电池单体电压的采集精度关系到电池管理系统的性能好坏。由于存在电池单体自放电率、内阻等不一致因素的影响，需要对电池组进行均衡管理，均衡管理不仅可以提高电池组的有效剩余电量，还能延长电池组的整体使用寿命。
单体电压采集及均衡电路如图3所示，其中C0-C12为电池的输入引脚，LTC6804芯片内置了2个ADC，分别测量6节电池的单体电压。S1-S12引脚用于电池均衡，当某两个电池的压差大于均衡电压时，S引脚充当驱动MOS的栅极的数字输出，对电压较高的电池进行放电，图中33 Ω的电阻为放电电阻；在电路中对每节电池设置了LED显示灯，当进行均衡时，电池所对应的LED会亮起。
2.2.2 隔离式SPI通信
isoSPI即隔离式SPI总线或差分SPI总线，与传统的SPI总线相比，isoSPI采用2线制的形式，isoSPI通信方式不仅可减少电路连线的数量，还降低电磁干扰，提高通信质量。由于主控板的微控制器本身不支持isoSPI，需增加一片isoSPI隔离式通信接口芯片LTC6820，
将2线isoSPI接口转换为SPI接口，进而与主控板进行通信。而两芯片间仅需要一个廉价、普通的变压器HX1188NL，就可实现主控板与采集板之间的电隔离，并可获得较好的电磁兼容性能。具体隔离通信电路图如图4所示。
图3 单体电压采集及均衡电路原理图
2.2.3 隔离供电
隔离供电指采用独立的电源为LTC6804芯片供电，这种供电方式与传统的电池供电方式相比，优点是可与isoSPI变压器隔离形成完全浮动的LTC6804电路，几乎不需要使用电池电压，不仅可以减少工作在电池电位的电路数目，还能防止电池负载失衡。
气囊减震图4 隔离通信电路原理图
2.2.4 温度采集
温度采集模块选用温度传感器DS18B20，相比于传统的热敏电阻等测温元件，该传感器具有可靠性好、体积小、采集精度高、使用电压宽等优点[8]。该传感器的测温范围为-55～+
125 ℃，精度为±0.5 ℃，其工作电压为3.3～5 V。温度信号直接以“一线总线”的数字方式传输，可极大程度上提高采集板的抗干扰性。每个DS18B20中的64位序列号均不相同，可实现一个I/O口上挂接多个DS18B20。将6个DS18B20连接到主控板STM32的PE2接口进行温度采集，温度测量电路图如图5所示，6个温度传感器共用一个阻值为4.7 kΩ的上拉电阻，供电电压为3.3 V。
广谱抗菌素图5 温度采集电路原理图
3 软件设计
3.1 下位机软件设计
本系统的软件是在MDK平台下实现的。该软件是目前针对ARM处理器，尤其是Cortex M内核处理器的最佳开发工具。
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3.1.1 主程序设计
系统上电后，为保证系统的正常工作，应对系统进行初始化，包括USART初始化、I/O口
初始化、系统定时器初始化、SPI及ADC初始化等；其次，对一些重要参数进行赋值。初始化完成后，进入主循环，在主循环中完成对电压、电流、温度等数据的采集，并对采集的数据进行SOC估算、电池均衡、数据存储、故障报警等功能，通过SPI与采集板通信，串口与上位机通信。主程序流程图如图6所示。
图6 主程序流程图
3.1.2 采集板程序设计
采集板上电后，首先对LTC6804进行初始化，包括设置ADC模式、放电是否被允许、选择被测量的电池、选择要读取的状态组等，并对一些参数进行定义，包括均衡压差值、均衡最小启动电压等。初始化完成后配置寄存器组，包括设置过压、欠压门限，对哪节电池进行放电等；配置完成后开始测量电池电压，并读取状态寄存器组。LTC6804有2个状态寄存器组，分别存放电池电压测量总和、芯片内部温度、过压或欠压电池的标记等参数。所测的电压值会与预先设定好的过、欠压门限进行比较，一旦测得的电压值高于过压门限或低于欠压门限，状态寄存器组的相应位被标记，进而得知过压或欠压的电池位置。另外，根据电压值判断电池组是否满足均衡条件，首先出12节电池中最小电压的电池，将其和剩
余的电池进行比较，若电池电压大于均衡最小启动电压，并且与最小电压的压差大于均衡电压，则对相应的电池进行放电，即重新配置寄存器组，开启相应的放电标志位，启动均衡，直到压差小于均衡电压后，关闭放电标志位。程序流程图如图7所示。
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