基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制器的设计论文

1 毕毕业业设设计计 设计题目设计题目 基于单片机控制的电动汽车电池组基于单片机控制的电动汽车电池组 均衡控制器的设计均衡控制器的设计 学生姓名学生姓名 学学 号号 2 专业班级专业班级 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班 指导教师指导教师 院系名称院系名称 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 2013 年年 6 月月 4 日日 2 目录 中文摘要 .3 英文摘要 .4 1 绪 论 .5 1.1 研究的目的和意义5 1.2 国内外研究现状和发展趋势5 1.3 均衡控制的优点7 1.4 论文主要内容.7 2 总体结构设计 8 2.1 总体技术方案.8 2.1.1 检测模块功能 8 2.1.2 均衡电源模块功能 8 2.1.3 控制模块功能 8 2.1.4 均衡放电方法的特征 9 2.1.5 总体功能流程 9 3 均衡放电硬件电路设计 .11 3.1 控制模块的设计11 3.1.1 控制模块电路的设计 .11 3.1.2 主控芯片的选型 .12 3.2 均衡模块的设计13 3.3 检测模块的设计14 3.3.1 检测芯片的选取 .14 3.3.2 电路设计 .15 3.4 电池模组的设计17 3.5 放电均衡过程.18 4 均衡放电的软件部分设计 .19 4.1 系统程序总流程19 4.2 数据采集流程.20 4.2.1 SPI 通讯原理20 4.2.2 SPI 读写程序21 4.2.3 LTC6802-1 读写程序21 4.3 仿真分析23 5 感悟与收获 .25 致谢 26 参考文献 27 附录 29 系统原理图.29 3 基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制 器的设计器的设计 摘 要：在电池使用过程中，由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区 别，这就导致充电过程中有些过充电，有些欠充电，形成不均衡充电。 使用次数越多，不均衡性就越严重，会使得电池提前损坏，降低电池寿 命，造成高昂的成本。但是如果在充电过程中加入均衡控制器进行电压 均衡，就可以很大程度的避免此类情况的发生，提高电池的寿命，降低 经济成本。本文就针对电池充电过程中存在的过充现象设计出了一个均 衡控制电路，能有效的抑止电池的过充。 关键词：电池 均衡控制 过充电 4 Design an balancing controller which based on MCU for electric vehicle battery Abstract：In the process of battery using . Because of the difference of manufacturing，there are something different in capacity and internal resistance of battery. This led to a bad phenomenon of the charging process ,like the overcharge ,undercharge. The more the use, imbalance is more serious,This will cause cell damage in advance, reduce battery life, resulting in high costs. But if the voltage balance was included in the process of charging, can greatly avoid such situations, improve the battery life, reduce the economic cost.In this paper ,a balanced circuit was designed for the overcharge phenomenon ,it can restrain the battery overcharge effectively. Keywords：battery overcharge voltage balance 5 1 绪绪 论论 1.1 研究的目的和意义 燃油汽车工业的不断发展，造成了全球能源危机的不断加深以及环境的严重污 染，促使人们开发新一代节能环保汽车。各国政府和汽车企业也认为，未来汽车产 业发展的主流方向是高效节能，低污染及低排放。而电动汽车作零排放优点的绿色 交通工具成为各国汽车企业关注的焦点，所以发展电动汽车是解决这一问题的最佳 途径。结合时代的需要，响应时代的号召，为了电动汽车的发展与普及，各国政府 相继采取各种鼓励措施来推动电动汽车的发展，我国科技部为此制定了 863 电动汽 车重大专项。 电动汽车是目前国际国内的重点发展项目，所以作为电动汽车的心脏电池就 显得尤为重要。目前国内对电池充电的研究主要集中在充电方法上，由于串联电池 组的不一致性将对电池组充电过程产生巨大影响，这是任何充电方法都面临而且必 须解决的问题，所以对电池组均衡性控制的研究是电池组电池研究的一个重要组成 部分，对推动电动汽车的实用化进程有很大的实用意义。 在电池使用过程中，由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区别，这 就导致充电过程中有些过充电，有些欠充电，形成不均衡充电。使用次数越多，不 均衡性就越严重，会使得电池提前损坏，降低电池寿命，造成高昂的成本。但是如 果在充电过程中加入均衡控制器进行电压均衡，就可以很大程度的避免此类情况的 发生，提高电池的寿命，降低经济成本。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 已知的传统电池组放电方法中，只是检测串联电池组的整体电压，不检测各个 单体电池的端电压。这种方法简单易行，但由于使用过程中各节单体电池的电量不 均匀，长期循环使用，差异会更大，使得电量较小的单体电池总是处于“过放”状 态，寿命大大缩短，从而影响整个电池组的工作情况。这种放电方法往往设定一个 放电终止电压，当检测到串联电池组的电压低于这个设定值时，终止放电。但是电 池组的终止电压不能反映电池组中的各节单体电池的电压，所以终止放电时，有些 电池会出现“过放”现象，有些电池可能还有剩余电量没有使用，电池组能量使用 6 率低。事实上，电池的电量的影响因素比较多，同时还受到温度，充放电次数，电 池本身的化学特性等因素的影响。在不同的温度，充放电循环次数下，电池组在充 放电时能够存储并且释放出来的电量是不同的，充满电时的端电压也是不同的。要 最大限度的利用电池，就需要充放电装置能够在不同的环境下，将电池的电量充满， 并能在不损坏电池的情况下，将电池中存储的能量尽可能的释放出来共给负载。另 外，电池组由于制造工艺和电池成组技术等原因，串联电池组充电时，单体电池电 量存在一定的差异，这种差异会在使用过程中逐渐增大，进而会影响整个电池组的 工作状态，这就要求充放电装置能够尽可能地减小甚至消除这种差异，使得电池组 在充放电过程中保持均衡状态。 均衡充电的方案有多种，选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托 莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是 通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电，硬件设备比独立 均衡简单，但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用 一种电池组均衡充电保护系统方案，实现均衡充电和电池保护的综合运用，但是在 放电时没有均衡管理，可能出现过放现象。 在国内外流行的各种均衡充放电方法中，传统的均衡充放电不能使电池达到电 压均衡的目的，必须使用主动均衡的方式使电池电压达到平衡。主动均衡的方法很 多,主要有: (1)“开关电容”法。在每两只电池间或多只电池间通过双向开关并联一个电 容,在两只电池间频繁切换电容,使电压高的电池电量流向电压低的电池。 (2)“变压器”法。变压器原边接电池组电压,副边为多个相同绕组,每个电池 对应一个绕组。原边接控制开关控制均衡过程。均衡时,副边输出电压相同,SOC 低 的电池会接受更多电流,从而使电池组达到均衡。缺点是线圈存在漏感和互感,做到 各绕组输出电压完全一致较困难。 (3)DC/DC 转换法。通过 DC/DC 转换将 SOC 高的电池能量向 SOC 低的电池转移。 (4)电阻放电法。每只电池通过一个开关并联一个电阻,当充电电压大于电池的 最高限压时,使开关闭合,通过电阻使充电电流旁路,而其他电池继续充电,直到所有 电池都充满。此电路的优点是方法简单,缺点是要将多余的能量消耗掉,转变成热量,效 率低,对电池组又带来了散热的新问题。此方法只适用于小容量电池,因为放电电流 不可能太大,一般限制在100200mA 之间1。 7 本文使用的是第四种方法，通过自设计均衡充放电电路改善了不利因素，可以 使用在所有单体电池小于 5V 的所有电池组，并且放电电流可达到 2A，放电效率高 可适用于大容量电池。此外，新添的充电回路补充了放电时的功能，用来管理放电 时的过放电池，保证电池在相同的电量状态下。 1.3 均衡控制的优点 所设计的均衡充放电控制系统主要具有以下优点： (1)各个单电池电压都均衡的电池组,其性能和寿命与单个电池类似,不会有巨 大差异; (2)可以摆脱由于电池不均衡造成的电池失效,常见的是某些电池长期处于欠充 状态下极板硫化失效和过充电造成电池失水; (3)加主动均衡的电池组不再需要被动均衡的高压过充电,可降低最高充电电压,这 样可以使电池失水更少,延长电池寿命,并且大大降低电池热失控的可能性; (4)当电池组中某只电池损坏后,只需将该只电池更换,而不需整组更换,可节约 可观的费用。均衡充放电系统将使新旧电池电压保持一致,正常工作7。 1.4 论文主要内容 论文的主要工作包括以下几个方面： 1设计均衡充放电硬件电路和相关模块电路，对电路相关元器件进行选型， 搭建实验系统的硬件部分。 2根据所需要完成的功能，设计均衡充放电电路控制系统的软件部分，绘出 系统功能流程图，并进行调试。 8 2 总体结构设计总体结构设计 本文设计了一种动力型锂离子电池均衡充放电控制系统，实现电池组单体电池 载荷状态的监测，以及在较短时间内响应并控制电池组中各节单体电池的充放电状 态。实验系统结构如图2-1所示，由控制模块、均衡电源模块、检测模块、电池模 块组成。 U 电电池池模模组组4 4 控控制制模模块块1 1 均均衡衡电电源源 模模块块2 2 检检测测模模块块3 3 图2.1 系统结构图 2.1 总体技术方案 设计的均衡充放电控制系统主要是面向动力型锂离子电池，其中实验系统的动 力型锂离子电池组为12节电池串联构成的电池模组，每节电池由两个小电池并联组 成。再通过检测板和均衡电源板协同处理，实现均衡充电回路和均衡放电回路的切 换，而控制模块负责数据融合处理和命令发送。 2.1.1 检测模块功能 检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块，由控制模 块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。 2.1.2 均衡电源模块功能 均衡电源模块在电池充电过程中可控制检测模块中的均衡放电回路对相关电池 模组的多节电池进行均衡放电。达到均衡状态时关闭放电回路。 2.1.3 控制模块功能 控制模块包括主控芯片及其外围电路，主控芯片分别与检测模块的电压检测回 路、均衡充电回路连接。主控芯片主要功能：通过电路对检测模块中均衡充电回路， 9 可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。主控芯片接收检测模块中电压检测 回路检测到的电池模组中各节单体电池的电压值并进行运算比较处理，当电池模组 中的某节单体电池处于“过充电状态”时，控制模块中的控制程序驱动均衡电源模 块，结合检测模块中的光耦合器件和检测芯片的控制门打开检测模块中的均衡放电 回路。 2.1.4 均衡放电方法的特征 与其他的传统电池均衡充放电方法相比，其特征在于： 1.检测模块、电池模组均内置级联端口，电池模组通过级联端口实现电池模组 的串联，检测模块通过级联端口相互级联实现对相互串联的电池模组实现均衡控制。 2.控制模块通过检测模块中的电压检测回路检测电池模组中各节单体电池的电 压信号来判断所述各节单体电池的充放电状态，当检测到某节电池的状态异常时， 控制模块同时控制均衡电源模块和检测模块的均衡充回路实现充电过程的均衡控制。 3.检测模块可以与控制模块实时通信，将电压和温度数值传送给控制模块，用 以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。 2.1.5 总体功能流程 该均衡充电电路的设计是以各节单体电池的电压量为衡量依据，在充电过程中， 通过电压检测回路来检测各节单体电池的电压，通过在控制模块中对检测得到的电 压值进行运算比较处理，确定各节单体电池是处于“过充状态”还是“正常状态” ， 然后通过控制模块控制均衡放电回路，达到使“过充”电池放慢充电速度的目的， 实现均衡充电。 均衡充放电电路控制系统包括控制模块、均衡电源模块、检测模块和电池模组， 控制模块内部包括主控芯片和输出电路，检测模块中集成了电压检测、均衡充电两 个回路，通过检测模块和控制模块的实时通讯可以实现对任意指定的一节电池进行 均衡充电，检测模块和电池模组均可以通过级联的方式实现对多个串联电池模组的 检测。对电池均衡充放电的管理方法是，在充放电过程中，实时检测各节单体电池 的电压参数，通过相应的融合计算，对采集得到的电压信号进行处理，从而判断各 节单体电池所处的状态，是“正常状态”还是“过充状态” 。在充电过程中，对于 处于“过充状态”的电池采用均衡放电回路并联电阻分流，来降低其充电速度，从 10 而达到系统均衡充放电的目的。 均衡电源模块用于在充放电过程中对异常状态的电池及时进行处理，以达到均 衡充电的目的。 电池模组由12节电池串联而成，每个并联单体电池的端点都通过引脚引出，通 过接插件接入检测模块3的检测回路，检测模块3通过接插件的引脚之间的电位差来 实现电池模组中的单体电池电压的检测。 11 3 均衡放电硬件电路设计均衡放电硬件电路设计 作为均衡充电的核心部分，硬件电路的设计包括控制模块、检测检测模块、均 衡模块、电池组模块。系统总体硬件连接图见附录。 3.1 控制模块的设计 控制模块是整个系统的核心，通过对检测模块传输过来的电池数据进行分析， 判断出电池的充电状态对过充的电池实施放电均衡。此外控制模块还会根据用户的 命令对当前的电池电压和温度数据进行实时输出。原理图如下。 图 3.1 控制模块图 3.1.1 控制模块电路的设计 控制模块有一个单片机控制芯片，两个地址锁存器，四个输出数码管以及一些 外围电路组成。在系统运行过程中单片机对检测模块传送来的电池电压数据进行分 析，筛选出过充电的电池并选择打开过充电电池的放电回路以达到均衡目的。 12 在输出过程中，单片机根据用户的需要实时输出电池的电压温度。首先打开锁 存器 2，在 P0 口发出选通信号然后关闭锁存器 2，接着打开锁存器 1，在 P0 口输出 电池的电压或温度数据，经过转码后显示在数码管上，最后关闭锁存器 1，完成输 出。 3.1.2 主控芯片的选型 主控芯片选用 Atmel 公司的 AT89C51。AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 （FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高 性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦 除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件 采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输 出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很 多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图 3.2 T89C51 引脚图示 13 3.2 均衡模块的设计 均衡模块直接与电池模组相连，控制着电池放电回路的通断。当控制模块判断 出哪些电池存在过充问题后，均衡模块就会打开相应的放电开关对过充电池进行放 电以达到均衡目的。通过研究芯片资料中给出的特征电路再加入自己的理解以及一 些新功能，设计出了针对电池模组进行放电均衡的电路。 图 3.3 特征电路图 图 3.4 均衡电路图 14 如图 3.4 所示放电开关 Q 受控制模块控制，当电池组中出现过充现象时，控制 模块发送控制命令打开其对应的放电开关 Q 对电池进行均衡放电。其中二极管，电 阻可以组成一个放电回路，可以消耗芯片内部残余的电能避免烧坏芯片。电容 C 可 以滤除电路中的杂质信号，促进检测的精确性。 3.3 检测模块的设计 检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块，由控制模 块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。 3.3.1 检测芯片的选取 电压检测芯片选用的是凌特公司的 LTC6802-1 芯片。LTC6802-1 是一款完整的 电池监视 IC，它内置一个 12 位 ADC、一个精确的电压基准、一个高电压输入多工 器和一个串行接口。每个 LTC6802-1 能够在输入共模电压高达 60V 的情况下测量 多达 12 个串接电池的电压，此外还可以把多个 LTC6802-1 芯片串联起来以监视长 串串联电池中每节电池的电压。而且，通过运用独特的电平移位串行接口，能够把 多个芯片以菊链式连接起来，无需使用光耦合器或光隔离器。 当把多个 LTC6802-1 器件串联起来时，它们就能够同时运作，从而使电池组 中所有电池的电压测量都能在 13ms 内完成。一个输入多工器将电池组连接到一个 12 位 - 模数转换器（ADC）。一个内部 10ppm 的电压参考连接 ADC 使 LTC6802- 1 具有超高的测量精度。- 模数转换器相对于其他类型的 ADC 有许多优点（例 如逐次逼近）。 LTC6802-1 和主处理器的通信是通过 SPI 兼容串口。LTC6802-1 芯片之间可以 通过简单的二极管隔离将数据送往芯片堆栈的上层或下层。有关芯片数据传输动作 的描述详见 LTC6802-1 数据手册。 LTC6802-1还包括平衡单体电池电压的电路。内部的MOSFET管可以用于给电池 放电。这些内部的MOSFET管还可以用于控制外部平衡电路。LTC6802-1通过内部放 电达到电池平衡以及用S引脚控制一个外部平衡电路。LTC6802-1无法决定内部 MOSFET管的开关。这完全由主处理器（即STC12C5A60S2芯片）控制的。主处理器写 值给LTC6802-1内部的配置寄存器去控制MOSFET管的开关。如果和主处理器的通信 被打断，LTC6802-1的看门狗定时器会关闭放电开关。 15 图3.5 LTC6802引脚图 3.3.2 电路设计 通过查阅 LTC6802 芯片资料上给出的特征电路图以及各引脚的连接方法，设计 出了检测 12 节电池电压，温度的电路原理图。其中 12 节电池连接在 C1-C12 之间， S1-S12 为电池过充状态的放电开关，CD4502 为温度辅助检测芯片，U3 为静电保护 器用以保护干燥季节静电对芯片的危害。 16 图 3.6 特征电路图 图 3.7 检测电路图 17 如图3.7所示，D01、D02、D03为整流二极管，考虑承载和整流能力，选用 1N4007，其特点是：30A的正向浪涌承载能力和1A的最大正向平均整流电流，最高 反向耐压为1000V，正向压降为1.0V，典型结电容为15PF，最大反向峰值电流为 30uA；D04、D05、D06、D07为肖特基二极管，根据芯片所给资料，选用SBD，SBD具 有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，大多不高于60V， 最高仅约100V；D08为齐纳二极管，具有稳压作用，此二极管是一种直到临界反向 击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压特性：在临界击穿点上,反向电阻 降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管 是根据击穿电压来分档的；为了消除检测板与主控板之间通信信号线的静电，分别 在SPI四条线上接入了ESD抑制器U3。VREG和VREF作为电压输出，被用来上拉电压， VREG为线性稳压器输出，可提供4mA电流给负载，VREF为3.075V参考电压输出，可以 驱动100K的负载，考虑上拉效果（功耗和传输特性） ，选用R13、R14、R15电阻值为 47K；R09、R10、R11作为SPI通信上拉电阻，主要考虑芯片功耗，尽可能大一点， 选用1M电阻；R02、R03作为温度传感器输入上拉电阻，考虑功耗，又兼顾输入延迟， 故选用100K电阻。 3.4 电池模组的设计 课题中，试验系统采用的是两节磷酸铁锂电池组成单个单体电池，整个电池组 由 12 组单体电池组成，称作电池模组。电池模组由方形环氧板（黄色）作支撑， 再附上电池盒。每个单体电池的两端通过接插件接入到检测板上，实时检测电压数 据并上报给主控芯片。硬件设计电路图见附录 5 所示。 磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。其特点是放电容量大，价格低廉， 无毒性，不造成环境污染。世界各国正竞相实现产业化生产。但是其振实密度低， 影响电容量。 磷酸铁锂具体的物理参数：松装密度：0.7g/cm；振实密度：1.2g/cm；中位径： 2-6um；比表面积155mAh/g；测试条件：半电池，0.2C；电压： 4.0-2.0V；循环次数：2000 次。 18 3.5 放电均衡过程 具体充电过程如下： 充电过程开始后，检测模块检测回路检测得到的各节单体电池的电压信号经过 控制模块内部的电路传送到主控芯片，主控芯片通过对接收的电压信号进行运算和 比较，判断出哪节电池处于“过充状态” ，再由主控芯片控制检测模块中的均衡放 电回路，对相应的电池进行并联电阻处理，减缓充电速度，达到均衡充电的目的。 在整个充电的过程中，当发现单体电池的电压值与均值差异超过某个范围时，就 进行均衡充电调整过程。均衡充电调整过程具体如下所述，均衡电源模块中的 GPIO1引脚接收主控芯片发出的控制信号，打开检测模块中与“过充”单体电池对 应的均衡放电回路，对相应的电池并联电阻处理。 在整个充电过程中，电池包的各节单体电池电压同步上升，实现了串联电池组 的均衡充电。每节单体电池的充电状态都是一个动态的过程，当检测得到的电压值 与电池的额定电压偏差不超过设定的值时，停止对电池充电，认为电池已充满。 整个充电过程中，电池包的各节单体电池电压值同步上升，实现了电池组的均衡充 电。 19 4 均衡放电的软件部分设计均衡放电的软件部分设计 系统软件部分的编写包括电池电压、电流、温度的采集程序和负载控制命令程 序。其中电压、温度的采集都是与电压检测芯片LTC6802-1进行通信，需要涉及SPI 通信。使用Keil uVision3软件进行编程（C语言） 。 4.1 系统程序总流程 检检测测模模块块检检测测每每节节单单 体体电电池池电电压压信信号号 判判断断是是否否有有 “过过充充” 控控制制模模块块 运运算算比比较较 是 否 打打开开相相应应放放电电回回路路 进进行行处处理理 判判断断是是否否 充充满满 否否 是是 充充电电开开始始 停停止止充充电电 图 4.1 均衡充电流程 如图 4.1 所示，在充电器对电池组充电的阶段，主控芯片发送命令控制检测芯 片 ltc6802 进行电压检测，接着在发送 AD 转换命令，读取 12 路单体电池电压值， 通过内置算法程序将各路电压值进行运算比较，判断各路电池是否发生过充，若是 的话，控制均衡电源板和检测板，打开相应放电回路进行处理；若否，判断电池组 20 是否充满，充满的话则停止充电器开关，若否，一周期过后再循环检测。 4.2 数据采集流程 LTC6802-1芯片13ms完成所有电池电压的检测，而主控芯片与LTC6802-1的通讯 （电压、温度的打包上传）采用SPI（高速同步串行口）总线通讯。 4.2.1 SPI 通讯原理 SPI是一种全双工、高速、同步的通信总线，有两种操作模式：主模式和从模 式。在主模式中支持高达3Mbps的速率（工作频率为12MHZ时，如果CPU主频采用 20MHZ到36MHZ，则可更高，从模式时速度无法太快，SYSCLK/8以内较好）,还具有 传输完成标志和写冲突标志保护。 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一 个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半 双工方式） 。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入） ，SDO（数据 输出） ，SCLK（时钟） ，CS（片选） 。 其特点：1.MOSI为SPI总线主机输出/ 从机输 入（SPI Bus Master Output/Slave Input） ；2.MISO为SPI总线主机输入/ 从机输 出（SPI Bus Master Input/Slave Output)；3.SCLK为时钟信号，由主设备产生； 4.CS为从设备使能信号，由主设备控制。 其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信 号时（高电位或低电位） ，对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多 个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了,通讯是通过数据交换完成的， 这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是 SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传 输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿 或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时 钟信号的改变（上沿和下沿为一次） ，就可以完成8位数据的传输。要注意的是， SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设 备中，至少有一个主控设备。 4.2.2 SPI 读写程序 在 SPI 中，传输总是由主机启动的。如果 SPI 时能（SPEN=1）并选择作为主机， 主机对 SPI 数据寄存器的写操作将启动 SPI 时钟发生器和数据的传输。在数据写入 21 SPDAT 之后的半小到一个 SPI 位时间后，数据将出现在 MOSI 脚。 需要注意的是，主机可以通过将对应器件的 SS 脚驱动为低电平实现与之通信。 写入主机 SPDAT 寄存器的数据从 MOSI 脚移出发送到从机的 MOSI 脚。同时从机 SPDAT 寄存器的数据从 MISO 脚移出发送到主机的 MISO 脚。 传输完一个字节后，SPI 时钟发生器停止，传输完成标志（SPIF）置位并产生 一个中断（如果 SPI 中断使能） 。主机和从机 CPU 的两个移位寄存器可以看作是一 个 16 循环移位寄存器。当数据从主机移位传送到从机的同时，数据也以相反的方 向移入。这意味着在一个移位周期中，主机和从机的数据相互交换。SPI 读写 C 程 序见附录 1 所示。 4.2.3 LTC6802-1 读写程序 根据 LTC6802-1 芯片数据手册知，芯片内主要含有 6 组配置寄存器，用来初始 化芯片；18 组电压寄存器，用来存储 12 组电压数据；3 组标志寄存器存放运算标 志；5 组温度传感器存储温度；一组 pec 寄存器存放数据包错误代码。 a.初始化写配置寄存器步骤： 1.CSBI 电平置低； 2.发送 WRCFG 命令字； 3.发送 CFGR0 字给顶层芯片，然后 CFGR1(T)，CFGR2(T)，CFGR5(T)； 4.发送 CFGR0 字给中间层芯片，然后 CFGR1(M)，CFGR2(M)，CFGR5(M)； 5.发送 CFGR0 字给底层芯片，然后 CFGR1(B)，CFGR2(B)，CFGR5(B)； 6.CSBI 置高，在 CSBI 的上升沿，数据被锁存到芯片。 以上步骤的串行接口时间计算： 组中芯片数N；序列中字节数=B=1 命令字节每芯片 6 数据字节1+6*N； 串行端口波特率F；时间（1/F）*B*8 bits/byte = (1/F)*(1+6*N)*8；上面的 3 芯片级联组在串行端口波特率为 1MHz 时的时间（1/1000000）*(1+6*3) *8=152us。 b.读单体电压寄存器（12 节单体模式）： 1.CSBI 置低； 2.发送 RDCV 命令字节； 3.读取底层芯片的 CVR00 字节，然后 CVR01(B),CVR02(B),CVR17(B),最后 PEC(B)； 22 4.读取中间层芯片的 CVR00 字节，然后 CVR01(M),CVR02(M),CVR17(M),最后 PEC(M)； 5.读取顶层芯片的 CVR00 字节，然后 CVR01(T),CVR02(T),CVR17(T),最后 PEC(T)； 6.CSBI 置高。 上面步骤的串行接口时间计算：组中芯片数N；序列中字节数=B=1 命令字节 每芯片 18 数据字节外加 1PEC 字节1+19*N；串行端口波特率F；时间 （1/F）*B*8bits/byte=(1/F)*(1+19*N)*8；上面的 3 芯片级联组在串行端口频 率为 1MHz 时的时间（1/1000000）*(1+19*3)*8=464us。 c.开始单体电压 A/D 转换和轮询状态（切换轮询）: 1.CSBI 置低； 2.发送 STCVAD 命令字节（组中所有芯片同时开始 A/D 转换） ； 3.底层芯片的 SDO 输出被置低大约 12ms； 4.SDO 输出以 1KHz 的频率切换，表示菊链中的所有芯片都已完成转换； 5.CSBI 置高离开轮询。 d.轮询中断状态（等级轮询）: 1.CSBI 置低； 2.发送 PLINT 命令字节； 3.若任一芯片有中断请求，底部芯片的 SDO 输出被拉低；否则，SDO 为高； 4.CSBI 置高离开轮询。 23 STC12C5A60S2初始化 发送写配置寄存器命令 写配置寄存器 发送单体电压A/D转换命令 发送读单体电压寄存器命令 读取单体电压值 发送温度A/D转换命令 发送读温度寄存器命令 读取温度值 数据计算处理 串口发送到上位机 图4.2 ltc6802-1读写流程 如图4-3所示，总体读写程序流程步骤为： 1.发送写配置寄存器命令，写配置寄存器，初始化LTC6802-1芯片； 2.发送AD转换命令，延时； 3.发送读电压寄存器命令，读取电压值； 4.发送读温度寄存器命令，读取温度值； 5.将12位AD转换的数据转成正常数据。 LTC6802-1相关程序见附录所示。 4.3 仿真分析 为了验证正确性，我在 Proteus 仿真软件中绘制了输出部分的原理图并将写好 的程序输进去进行仿真运行，仿真结果证明了电路及程序的正确性。下面为仿真分 析时的进行图。 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件（该软 件中国总代理为广州风标电子技术有限公司） 。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿 24 真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工 具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、 致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 具体过程为： 1. 将单片机进行初始化 2. 通过 P2 口打开地址锁存器，选通所需要的数码管 3. 从单片机的 P0 口输出电压数值 4. 数码管显示并锁存 5. 关闭地址锁存器 图 4.3 仿真分析图 25 5 感悟与收获感悟与收获 毕业设计临近结束，回顾这半年的时间，大部分时间都是在实验室度过的，跟 着师兄师姐们后面学习，进步。从开始的一无所知走到现在，已经是个不小的进步。 毕业设计还没开始的时候，我保研到机汽学院的机械电子工程专业，进入分布 式控制研究所学习，跟随张利老师学习。不久便我进入实验室学习。今年 5 月份， 我参与到便携式动力电池测试与评估系统这个项目，起初我一无所知，主要帮师兄 师姐打打下手，并查阅资料，补充相关项目知识等等，在师兄师姐们的带领下，我 们渐渐地融入项目，并参与任务分工。今年 6 月份，经过我们团队的努力，在安徽 省第 5 届“挑战杯”大学生课外学术科技作品作品竞赛中，我们团队的作品便携 式动力电池测试与评估系统荣获一等奖。 经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业 设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导， 以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这次毕业设计中苦恼过，无奈过，纠结过。但是经过老师，师兄，同学的帮 助，我一个又一个的克服了这些困难。经过了这些过程后体会到的是成就感，喜悦 感。在其中我学到了很多，了解了很多，自己的知识面有了很大的提高。其中主要 有: 学会了用 Altium Designer 绘制电路图，掌握几种元件的用法。 接触到了 PCB 板的绘制，有了一定的实际经验。 初步学会了单片机编程，了解到一些单片机的用法。 办公软件如 word,PPT 等有了很大的提高。 对于硬件电路方面有了一定理解。 26 致谢致谢 经过四年的学习，终于在老师的悉心指导下完成了此次毕业设计，特此向指导 老师张利老师表达诚挚的谢意。做本次毕业设时，遇到了很多问题，但是张老师在 百忙之中始终不忘帮助我解决问题，指导我发现新问题，并对我的毕业设计提出了 许多宝贵的建议。 在毕业设计期间，张老师对我们很严格，但这更促使我们学习到了更多的东西。 在写论文期间，张老师更是不辞辛苦地指导我，不仅对论文内容给予建议，也对论 文格式进行指导，让我知道了如何将自己的设计成果完整清楚地表达出来。 另外，我要感谢在此次毕业设计中给予我帮助、给予我建议的黄业伟师兄，他 在电路设计及软件编程方面给予了我很多帮助，而且在论文写作中也给予了我很多 建议；感谢与我一同做毕业设计的吴寿辉同学，他懂的知识比我多很多，平时我又 很多问题都是他细心的为我解答，这样我的毕业设计才能完美完成。 在这次毕业设计中，没有老师和同学的指导，我的毕业设计到不了现在地步， 再一次衷心的感谢他们！ 27 参考文献参考文献 1刘有兵，齐铂金，宫学庚编电动汽车动力电池均衡充电的研究北京航空 航天大学机械工程及自动化学院 2张欣, 孙宏昌, 尹霞编著单片机原理与 C51 程序设计基础教程北京:清华 大学出版社,2010 3黄可龙, 王兆翔, 刘素琴编著锂离子电池原理与关键技术北京:化学工业 出版社,2008 4周荷琴，吴秀清微型计算机原理与接口技术合肥：中国科学技术大学出 版社，2004，12 5黄勤主编单片机原理及应用北京:清华大学出版社,2010 6沈任元，吴勇，唐俊英, 田培成, 郑英兰编常用电子元器件简明手册北 京:机械工业出版社,2010 7孟贵华, 孟钰宇等编著电子元器件选用快速入门北京:机械工业出版社, 2010.01 8周守昌编电路原理北京:高等教育出版社,2004 9文国光主编电池电化学北京:电子工业出版社,1995 10穆秀春, 冯新宇, 王宇等Altium Designer 原理图与 PCB 设计北京:电子 工业出版社,2011.01 11吴国凤，宣善立C/C+程序设计北京：高等教育出版社，2006，8 12谷树忠, 刘文洲, 姜航编著.Altium Designer 教程:原理图、PCB 设计与仿 真北京:电子工业出版社,2010 13郑杭波. 新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现D. 北京: 清华大学, 2004. 14 刘春梅, 朱世宁. 电池组双向无损均衡充放电模块的设计J. 电子设计, 2006, 12: 251-253. 15王海明, 郑绳楦, 刘兴顺. 锂离子电池的特点及应用J. 电气时代, 2004, 03: 132-134. 16潘靖. 锂电池智能管理系统D. 浙江: 浙江大学, 2004. 17廖晓军, 何莉萍, 钟志华等. 电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势J. 28 汽车工程, 2006, 10. 18Hong-Sun Park, Chol-Ho Kim, Gun-Woo Moon. Charge Equalizer Design Method Based on Battery ModularizationC/Sustainable Energy Technologies, 2008. ICSET 2008. IEEE International Conference on.2008: 558-563. 19Moo C.S., Hsieh Y.C., Tsai I.S. Dynamic Charge Equalization for Series- connected BatteriesJ. IEEE Transactions on Electric Power Applications, IEE Proceedings, 2003, 150(5): 501-505. 20Hsieh Y.C, Moo C.S, Ou-Yang W.Y. A Bi-directional Charge Equalization Circuit for Series-connected BatteriesC/Power Electronics and Drives Systems, 2005. PEDS 2005.International Conference on. Kuala Lumpur,Malaysia, 2005: 1578-1583. 29 附录附录 系统原理图 图 8.1 系统原理图 主要程序 /* 主程序 */ void main（void） unit i,j; InitUart();/串口 1 初始化 InitSPI();/SPI 功能初始化 30 Volt_Process(); /电池电压检测，将 LTC6802 采集的电压数据处理成整型量存入 Volt_Dat内 TMP_Process();/电池温度检测，将 LTC6802 采集的温度数据处理成整型量存入 Temp_Dat内void Bat_Manage()/电池电压均衡管理子程序 while(1) if(flag!=1