基于ltc6803多节动力电池的检测系统设计.pdf

2 0 1 5 年第2 期 n o 2 2 0 1 5 九江学院学报 自然科学版 总第1 0 9 期 j o u r n a lo fj i u j i a n gu n i v e m i t yir l a t i l i l l8 c i e m c e 8 s u mn o 1 0 9 基于l t c 6 8 0 3 多节动力电池的检测系统设计水 王宇松王清辉张文峰 龙岩学院福建龙岩3 6 4 0 0 0 摘要 针对动力电池工作参数的监测 保护其安全性和使用寿命的问题 提出基于电 池管理芯片l t c 6 8 0 3 设计一套电池管理系统 利用l t c 6 8 0 3 和s t c l 2 c 5 4 单片机组成主要 的硬件控制电路 通过单片机控制l t c 6 8 0 3 实现对动力电池单体电压 总电压等参数的 检测 并通过串口把数据传输到上位机保存 编写相应实现功能的软件 实现对多节动力 电池状态的精确检测 试验结果表明本系统测量总误差小于0 2 5 为电池管理的均衡控 制 s o c 的估计提供基础数据 关键词 l t c 6 8 0 3 动力电池检测 电池管理 中图分类号 t m9 1 2 9 文献标识码 a 文章编号 1 6 7 4 9 5 4 5 2 0 1 5 0 2 0 0 1 3 一 0 4 受到能源危机和环境保护等因素影响 电动 汽车作为一种新兴的交通工具 由于其能源利用 率高 无排放 噪声小以及能量来源多样化等优 点 l 1 受到广泛的重视 其中电池管理技术是关 键技术之一 影响电动汽车的里程数 动力等核 心参数 动力电池管理系统需要采集动力电池温 度 电压 总电压 电流等物理参数 这些参数 是进行均衡控制 电池剩余容量 s t a t eo fc h a r g e s o c 热管理的基础 目前 传统的信号采集技 术主要是采用分立电阻 电容 运算放大器和 a d c 等器件组成信号采集 处理模块 整体硬件 结构复杂 需要大量布线 传输速度慢 且成本 高 由于分立器件较多 电压 温度和电流等电 池物理参数测量精度低 可靠性低 容易受到外 界干扰 针对要实现的电池管理的功能和传统技术的 缺陷 本系统采用专用的电池管理芯片l t c 6 8 0 3 组成电池管理系统 给出了整个的电池管理系统 的结构设计 并给出了各个功能单元的硬件结构 设计和软件结构设计 然后对l t c 6 8 0 3 本地控制 单元中电池单体电压检测技术等关键技术进行了 相关的研究 并对测量结果进行分析比较 本系 统具有结构简单 误差小 可扩展性好 传输速 度快等特点 3 5 l 系统工作原理分析 针对电池检测的功能要求 本系统利用电池 管理芯片l 1 6 8 0 3 对电池组工作的电压 总电压 等物理参数检测 l t c 6 8 0 3 是具有1 2 位a d c 精 准电压源 一个高压输人多路复用电路和串行接 口 内部集成电池均衡控制 为电动汽车提供 s o c 的估计提供基础参数k 一7j 系统的原理图如 图1 所示 嚣嚣卜叫骧攒卜 一c p u叫供i p 控 制 挂 块 一如曩m 联 一无嚣电他平 l t c一 蒜块卜 i d聂t 他 6 3 组小 量 i o i e d i 嚣嚣卜 i 投准和宪叠l统 i 正示机块叫羽量电路l 洫龋l t c 6 8 0 3 捡翻靠分簟片机控瓤曩缱 圈i 系统总体框架图 幸基金项目 福建省教育厅a 类项目资助 编号j a l l 2 4 4 龙岩学院大学生创新创业训练项目资助 编号2 0 1 2 0 1l 福 建省教育厅b 类项目资助 编号j b l 2 2 1 6 收稿日期 2 0 1 5 1 2 7 通讯作者 王宇松 p m a x 2 0 0 8 1 2 6 c o m 万方数据 1 4 九江学院学报 自然科学版 2 0 1 5 年第2 期 本检测系统主要包括供电电源模块 单片机 最小系统模块 串口通信模块 无源电池平衡电 路模块 电池电压滤波模块 校准和完整电池组 测量电路模块 电池组电源去耦模块 隔离式电 源供电模块 o l e d 液晶显示模块 2 系统主要硬件设计 2 1 电压采集和均衡控制电路设计 动力电池通过电阻和电感组成的电路和 l t c 6 8 0 3 的引脚c n 相连 在通过l t c 6 8 0 3 内部集 成的高精度的a d 对电池电压实现检测 达到对 电池电压监控的目的 通过单体电池可以得到总 的电池电压 均衡控制电路的目的是防止单体电 池电压偏差较大 影响电池的使用寿命 利用 l t c 6 8 0 3 组成的均衡控制电路以两节电池为例 如图2 所示 l t c 6 8 0 3 的s 输出端通过电阻和 m o s 管相连 l t c 6 8 0 3 通过电池电压检测电路获 得电池的电压 当电池电压偏差较大时 l t c 6 8 0 3 通过控制s 端的开断来控制m o s 的导通 对电压 较高的电池进行放电 直到电压在允许的范围 达到均衡的目的 图2 电压和均衡控制电路 2 2 单片机控制模块 本系统采用s t c l 2 c 5 4 作为系统的主控芯片 负责整个系统的现实 通讯 信号处理等工作 本系统的原理图如图3 所示 为了通信的准确和 安全性 l t c 6 8 0 3 的s p i 接口通过隔离s p i 和单片 机连接 单片机和l t c 6 8 0 3 按照s p i 时序进行通 信 单片机通过控制l t c 6 8 0 3 的寄存器 获得动 力电池参数 并显示出来 同时通过串口发送到 匕位机 p 22v c c 3p r 钉p 2 r m p lof l 撇f t 研2 1 d c 舢p i 蚋k 5 毯l nu d t 3 2p l n d c 丽t 枷33 一i 蚰c o x o i it t t t k m 肿 5p l d a m 神 p l 坤h 5舯 c 吣p 2 l 图3 单片机系统 2 3l t c 6 8 0 3 电池电压测量的操作 本系统电池电压测量最核心的工作是对 l t c 6 8 0 3 进行操作 因此需要对l t c 6 8 0 3 的寄存 器进行配置 对l t c 6 8 0 3 寄存器进行操作时 首 先要写配置寄存器然后读配置寄存器旧 1 0 读取电池电压信号首先需要进行初始化设置 在l t c 6 8 0 3 的s p i 工作在c p h a 1 和c p o l 1 的模式下 初始化单片机s p i 初始化l t c 6 8 0 3 s p i 需要定义引脚功能 数据传输格式 传输频率 等 l t c 6 8 0 3 初始化主要判断写配置寄存器是否 成功 如图4 所示 单片机发送w r c f g 命令和命 令p e c 值 l t c 6 8 0 3 接受到命令 接着单片机发 送c f g 寄存器数组 要进行r d c f g 读寄存器命 令 l t c 6 8 0 3 发送给单片机c f g 数据 再由单片 机判断通信是否成功 c f g 寄存器主要设置电池 电压测量时间 过充和过放压 看门狗定时器 内部均衡控制等 图4 读写寄存器流程图 万方数据 第2 期王宇松 等 基于l t c 6 8 0 3 多节动力电池检测系统设计 1 5 设置寄存器之后进行读电池电压操作 如图5 所示 对建立通信的l t c 6 8 0 3 读取数据 单片机 发送l t c 6 8 0 3 的地址及其p e c 发送s t c v a d 命 令及其p e c 启动电池电压a d c 转换 接着单片 机再次发送l t c 6 8 0 3 的地址及其p e c 发送r d c v 读电压命令 判断电压数据是否发送完毕 对 接收的数据进行校验和处理 最后计算出对应的 电压值 这里需要注意的是每次发送命令前都要 先发送l t c 6 8 0 3 的地址和p e c 否则无法进行通 信 开始 一 发送地址及其氏 l 发送s r q a d 命令及其氏 c l 发送陌脚令及其慝c i 计算接收数据的凫 一否 l 计算电池电压值 结束 图5 读写电压信号流程图 3 系统软件设计 根据以上的分析 的主程序应该首先完成 s p i o l e d 液晶 串口通信 l t c 6 8 0 3 等的初始 化 然后一直在一个死循环里做检测电池组各个 电池的电压的操作再把信息处理送给液晶显示 同时上传到上位机 主程序流程图如图6 所示 广1 n l 系统初始化l l 1 j 护卜一 读取电池电压信号 二二二 二 对电压信号进行处理 二二二 二 送给a 田显示 图6 系统软件主程序流程图 4 试验结果 用本文提出的信号采集技术采集串联成组的 1 2 节3 7 v1 0 0a h 锂电池的电压信号 与美国 凌力尔特 l i n e a r 公司的测量误差小于 0 0 0 3 5 的d c l 6 5 3 a 评估板及连接板d c 5 9 0 b 电压测量在使用l t c 6 8 0 3 读出的数据进行对比 对比数据如表1 所示 第一组和第二组的所有数 据均是在基准电压均是在温度的基准电压为 2 3 4 3 0 v 下得来的 表1 电压测量结果单位 v 由表1 数据分析可知 l t c 6 8 0 3 的测量精度 较高 能够满足动力电池管理系统的测量要求 5 结论 为了对动力电池运行状态进行监测 本文设 计了基于凌力尔特 l i n e a r 公司专用电池管理芯 片l t c 6 8 0 3 的多节动力电池的监测和管理系统 根据动力电池管理系统的功能要求和l t c 6 8 0 3 芯 片的功能特点设计了具有单芯片解决方案 布线 少 性能稳定的监测系统 并针对l t c 6 8 0 3 的监 测系统进行了试验和分析 测试结果表明 1 利用l t c 6 8 0 3 组成的电池管理系统 减 少了大量电池的布线问题 整个系统更加稳定和 简洁 使整个系统具有开放性和扩展性 2 通过对l t c 6 8 0 3 的测量结果表明 本系 统具有较高的测量精度 单元电压误差率和温度 误差 包括测量误差 切换误差和器件误差 分 别低于 0 2 且测量的总误差也低于0 2 5 由 测量数据可知 本文提出的信号采集技术误差能 够满足实际应用需求 万方数据 1 6 九江学院学报 自然科学版 2 0 1 5 年第2 期 本系统在现有工作的基础上 下一步可以进 一步提高设计的精度 并设计上位机专用的软件 系统 并可以加上4 g 通讯模块进行数据的远距离 测控 扩大系统的应用范围 参考文献 1 蒋瑞斌 谭理刚 电动汽车的发展及面临的挑战 j 机械工程师 2 0 0 9 4 1 2 2 3 2 冯勇 王辉 梁骁 纯电动汽车电池管理系统研究与设计 j 测控技术 2 0 1 0 2 9 9 5 4 3 徐晓东 刘洪文 冯高辉 基于i j a b w i n d o w s c 的锂离子电池测试系统设计 j 测控技 术 2 0 1 0 2 9 1 2 3 9 4 刘义成 田作华 基于l a b v i e w 的燃料电池监控系统 j 测控技术 2 0 0 9 2 8 3 1 3 5 辛考言 葛元月 薄伟 等 基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计 j 农业工程学 报 2 0 1 4 3 0 1 2 1 6 3 6 曾洪奎 陈永真 关维国 l t c 6 8 0 3 4 在超级电容器组管理系统中的应用 j 电子技术 应用 2 0 1 4 4 0 6 5 2 7 于志豪 常龙 张瑞雪 等 锂电池动力电源单体电池电压检测系统设计 j 电源技术 2 0 1 4 1 7 5 8 3 2 8 芮骐骅 赵亮 王磊 等 矿用大容量磷酸铁锂电池管理系统设计 j 工矿自动化 2 0 1 4 3 7 2 5 9 吕杰 宋文吉 林仕立 等 基于l t c 6 8 0 3 4 的电池管理系统信号采集技术研究 j 测 控技术 2 0 1 3 3 2 1 2 3 1 0 陈峥 林辉 李兵强 等 可充电式混合动力汽车电池管理系统设计 j 测控技术 2 0 1 2 3 1 1 0 1 1 2 1 1 蒋新华 雷娟 冯毅 等 串联电池组电压测量的新方法 j 仪器仪表学报 2 0 0 7 2 8 4 7 3 4 1 2 g uq j c h e ny f w uf av o l t a g em e a s u r i n gm e t h o do fs e r i e sb a t t e r y j e l e c t r i c a lm e s s u r e m e n t i n s t r u m e n t a t i o n 2 0 0 2 3 9 5 2 6 d e s i g no fm u l t ip o w e rb a t t e r yt e s t i n gs y s t e mb a s e do ne t c 6 8 0 3 w a n gy u s o n g w a n gq i n g h u i z h a n gw e n f e n g l o n g y a nu n i v e 瑙i q 厶n gy a n f u j i a n3 6 4 0 0 0 c h i n a a b s t r a c tab a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nl t c 6 8 0 3w md e s i g n e dt om o n i t o rp o w e rb a t t e r yo p e r a t i n g p a r a m e t e r sa n dt oi n c r e a s eb a t t e r y s a f e t ya n ds e r v i c el i f e u s i n gah a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i tc o m b i n e db yl t c 6 8 0 3a n d s t c l 2 c 5 4s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h ep a r a m e t e r ss u c h 黯v o l t a g e t o t a lv o