隨著新能源和環境污染問題在全球發展過程中被高度關注，作為清 潔 能源的動 力 電池越 來 越受到重視。鋰離子電池 以 其能 量 密 度 高、平 均輸出電 壓高、輸出功率大、循環性能優越、可快速充放電、無記憶效應等特點，將成為未 來 電動汽車 動 力 電 池 的市場主力。一個有效的電池管理系統能對動力電池進行保護、延長其使用壽命及提高行駛里程，是電動汽車產業發 展 和 推 廣 的 一 項 非 常 關 鍵 的 系 統 工程。在串聯的動力電池組中，單體鋰電池的電池狀態，如電壓和溫度的監測，是電池管理系統中的關鍵組成部分。單體電壓的數據最為豐富，能夠表 征電池組內每一個單體狀態和特征的物理量，還可 以反應電池組整體的狀態，如一致性等。此外，對單體電池進行監測，還能防止過沖和過放。因此，電池單體電壓采集對采集的準確性和實時性都有比較高的要求。

分別對電池的單體測量方法進行了總結，包括電阻分 壓、光 耦 隔 離 運 放、利用線性 光電耦合器進行 模 擬 信號傳 導，以及模擬 開 關 配 合電容傳輸模擬 信 號 的方案等 方 法。此 外，市 場 上已出現單體電 池 測 量專用 芯片，如世界 上 著 名 的芯片廠 商 Ｌｉｎｅａｒ公 司 開 發 的 ＬＴＣ６８０３芯 片，內 部自帶多路選通開關 ＡＤＣ，可以在１３ｍｓ內完成多達１２個串聯電池的電壓的測量，最大總測量誤差為０．２５％。

本文采用兩片 ＬＴＣ６８０３級聯方式采集２４只單體鋰離子電池電壓，單 片 機 利 用 ＳＰＩ 總 線 啟 動ＬＴＣ６８０３電壓測量并讀取電壓。

系統組成與工作原理

系統組成

本文研究的串聯的鋰離子電池采集系統能夠實現２４只動力電池的在線單體電壓監測。該系統主要包括以 ＬＴＣ６８０３為核心的單體電壓采集部分，以及以 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２為 核 心 的 ＳＰＩ通 信 和 ＣＡＮ 通 信部分，還有一些外圍電路。

ＬＴＣ６８０３是 Ｌｉｎｅａｒ公司的第二代的完整電池監視ＩＣ，內置一個１２位的 ＡＤＣ、一個精準型電壓基準、一個高電壓輸入多路 復 用 器 和一 個 串 行 ＳＰＩ接口。每個 ＬＴＣ６８０３能夠測量多達１２個串接電池或者超級電筒的電壓。通過一個獨特的電位移位接口可以把多個 ＬＴＣ６８０３器件串聯起來，而無需光耦隔離器，以監視長串的串聯電池中的每只單體電壓。每個電池輸入都具有一個相關聯的 ＭＯＳＦＥＴ 電源開關，用于過度充電的電池進行放電。ＬＴＣ６８０３還提供了一種用于將電源電流減小至１２μＡ 的 待 機模式。ＬＴＣ６８０３ 采 用 ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒ－ｆａｃｅ）方式與外部 ＭＣＵ 通信，具有高抗 ＥＭＩ以及低功耗能力。其結構原理圖如圖１所示：

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２是 Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公 司 的 一 款４８引 腳１６位的單片機，功 能 強大、資源豐富。內部有３２ＫＦｌａｓｈ，８通道的１０位 ＡＤＣ，１路ＳＰＩ模塊，１路支持ＣＡＮ２．０ Ａ 和 ＣＡＮ２．０Ｂ 的 ＣＡＮ 模 塊，６ 通 道ＰＷＭ，８通道的１６位定時器模塊，滿足本文單體電壓采集系統對 ＭＣＵ 的需求。

工作原理

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 通 過 ＳＰＩ 總 線 來 啟 動 兩 片ＬＴＣ６８０３采集 并 讀 取 ２４ 只串聯的單體電池的電壓。采集系統與上級控制系統通過 ＣＡＮ 總 線 通信，實現對動力電池單體電壓的在線監測，并實現對采集系統的休眠與啟動控制。整個采集系統通過ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的定時器來實現對電壓的測量，ＣＡＮ信息的發送以及錯誤的判斷等的時序控制。

電壓采集硬件電路設計

電壓采集功能是由兩片 ＬＴＣ６８０３實 現 的。在本文的采集系 統 中，未 開 啟 ＬＴＣ６８０３的 均 衡 功 能、以及 ＧＰＩＯ、ＴＥＭＰ 引腳的溫度采集功能。 兩 片ＬＴＣ６８０３可 采 用 并 聯，亦可采用菊花 鏈式連接。ＬＴＣ６８０３通 過ＩＳ０７４２１，實 現 電 池 與 ＭＣＵ 之 間 的電氣 隔 離；ＬＴＣ６８０３與 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２通 過 ＳＰＩ方 式進行通信。ＬＴＣ６８０３電壓采集電路如圖２所示：

當兩片ＬＴＣ６８０３使用菊花鏈式串聯連接時，片選端只需 ＭＣＵ 的一個ＩＯ 口即可，三個二極管需焊

接，頂 端 ＬＴＣ６８０３ 的隔離芯片可不焊，頂 端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉高，Ｖｍｏｄｅ引腳拉低，底端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉低，Ｖｍｏｄｅ引腳拉高；當兩片 ＬＴＣ６８０３使用并聯方式 連接時，片選端 需 ＭＣＵ兩個ＩＯ 口，兩 片 隔 離 芯 片 需 接 入，去 除 三 個 二 極管，兩片６８０３的 ＴＯＳ引 腳 均 拉 低、Ｖｍｏｄｅ引 腳 均拉高。

由于 ＬＴＣ６８３具有內置噪聲濾波器的 ΔΣ轉換器，抗 ＥＭＩ的能力 也 較 高，故無需使用其他的信號調理電路。由于本文中的電池管理系統暫時還未具有充電均衡管理功能，故將６８０３的均衡引腳做懸空處理，不使用其放電控制功能。

ＬＴＣ６８０３的ＳＰＩ通信

采集系統的單體電池的電壓，是通過 ＬＴＣ６８０３采集的。ＬＴＣ６８０３與 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２之間是 通 過 ＳＰＩ進行通 信 的。為 了 實 現 ＳＰＩ通 信，首 先 要 弄 清 楚ＬＴＣ６８０３的讀寫時序。ＬＴＣ６８０３的讀、寫時序如圖３和圖４所示。

由讀寫時序可見，每個 字 節發 送 時 都是高 位 先發送。寫時 序 時，ＳＤＩ引腳的邏輯狀態在 ＳＣＫＩ的上升沿被所 存。讀 數 據 時，在 ＳＣＫＩ的 上 升 沿 被 所存。讀時序中，在ＳＣＫｌ的上升沿 ＳＤＯ 引腳的邏輯狀態 是 有 效 的，另外需要注意的是，ＬＴＣ６８０３的 是時鐘相位和極性要求：ＬＴＣ６８０３的 ＳＰＩ的接口被配置為工作在 ＣＰＨＡ＝Ｉ和 ＣＰＯＬ＝Ｉ的模式下。

本文中兩片ＬＴＣ６８０３串聯方式連接，故在由單片 機 往 ＬＴＣ６８０３ 發 送 命 令 時，是 先 發 送 高 位ＬＴＣ６８０３的 命 令 數 據，再 發 送 低 位 ＬＴＣ６８０３的 命令數 據；ＬＴＣ６８０３往 單 片 機 時，單片機先接受的是低位 ＬＴＣ６８０３的 數 據，而 后 是 高 位 ６８０３ 的 數 據。根據 ＬＴＣ６８０３ 的 ＳＰＩ的 通 訊 方 式，本 文 以 兩 片ＬＴＣ６８０３ 菊花鏈式連接為例，可 以 寫 出ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰｌ初始 化、收發 程 序；向 ＬＴＣ６８０３寫配置或 者 命 令；從 ＬＴＣ６８０３ 中讀取寄存器值的程序。

（１）ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ初始化、收發程序

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ模 塊 的 ＳＳ可 設 為 普 通ＩＯ口 功 能。 本文中采用其余通用 ＩＯ 口，實 現ＬＴＣ６８０３的 ＣＳＢＩ引腳的拉高和拉低。

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ＣＳ＿ｄｉｒ＝１；　 ∥通用片選引腳為輸出引腳

ＳＰＩＣＲ１＝０ｘ５ｃ；　∥主機模式；高位起始傳送

ＳＰＩＣＲ２＝０ｘ００；　∥主模式故障模式使能禁止

ＳＰＩＢＲ＝０ｘ０２；　∥總線８Ｍ，將ＳＰＩ時鐘分頻

至１ＭＨｚ

｝

ｖｏｉｄＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｅｎｄｄａｔａ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｅｍｐ＿ｓｐｉ；

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＴＥＦ）；　 ∥等 待 數 據 寄 存

器空

ＳＰＩＤＲ＝ｓｅｎｄｄａｔａ；∥將數據寫入數據寄存器

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＩＦ）；∥等待數據發送完成

ｔｅｍｐ＿ｓｐｉ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥清空標志

｝

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ；

ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩＳＲ＿ＳＰＩＦ）；　 ∥等待接收完成

ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ＝ＳＰＩＤＲ；　 ∥讀取數據寄存器

ｒｅｔｕｒｎ（ｒｅｃｅｉｖｅ＿ｄａｔａ）；

｝

（２）向 ＬＴＣ６８０３寫命令

向ＬＴＣ６８０３中寫數據，需先發送相應的寄存器命令 和 ＰＥＣ 碼，經 校驗 無誤 后，再寫 入數據。６８０３采用菊花鏈式連接時，先寫入的數據為頂端６８０３的數據，然后是中間的６８０３的數據，最后是底端６８０３的數據。以６８０３初始化程序為例，編寫程序如下：

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｉ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｏｐ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［７］＝｛｝；

ＣＳ＝Ｏ；　∥拉低片選，啟動寫入數據

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０１）；　 ∥ 發 送

寫入寄存器命令和 ＰＥＣ碼

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（ｔｏｐ＿ｃｆｇ［ｉ］）；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋ ＋）ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ

［ｉ］）；

ＣＳ＝１；　∥拉高片選，鎖存所寫數據

｝

（３）從 ＬＴＣ６８０３讀取數據

從ＬＴＣ６８０３中讀取數據，也需先發送相應的讀取寄存器命令和 ＰＥＣ 碼，經 校驗 無 誤 后，再 讀 取 數據。６８０３采用菊花鏈式連接時，先 讀 取 的 是 底 端６８０３的數據，然后是中間６８０３的數據，最后是頂端６８０３的數據。ＬＴＣ６８０３在 每 讀 取１字 節 的 數 據 之前，需由發送８位 空 字 節 啟 動 ＳＰＩ傳 送 功 能。以 讀取６８０３的配置寄存器值為例，編寫程序如下：

ｖｏｉｄＬＴＣ６８０３＿Ｒｅａｄ（ｖｏｉｄ）

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｉ；

ＣＳ＝０；

ＳＰＩ＿Ｓｅｎｄ（０ｘ０２）；ＳＰｌ＿Ｓｅｎｄ（０ｘｃｅ）；∥發送讀取

寄存器命令和 ＰＥＣ碼

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜７；ｉ＋＋）

｛ｗｈｉｌｅ（！ＳＰＩ＿ＳＰＴＥＦ）；ＳＰＩＤＲ＝０ｘ００；　∥寫

入空字節，啟動ＳＰＩ傳送

ｂｏｔｔｏｍ＿ｃｆｇ［ｉ］＝ＳＰＩ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（）；｝

……

ＣＳ＝ｌ；

｝

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２主要調用以上幾 個基本的函數，實現對 ＬＴＣ６８０３的一系列 的 讀寫控制。采 集 系 統的整體流程圖如圖５所示。首先，對系統時鐘、ＳＰＩ、ＣＡＮ、定時器等初始化；循環從讀取２４只單體電池電壓開始，到 最 終 通 過 ＣＡＮ 總線將單體電壓數據上傳至上級控制 器，時序 由 定 時 器控 制。單體 電 池電壓測量程序流程圖如圖５所示。

圖６是一組電池組通過下位機 ＬＴＣ６８０３采 集的單體電壓值與用萬用表測量值的比較，可以 看 出下位機的單體電池電壓采集精度達到要求。

為了節約電源，本采集 系 統還 設 計 了采集 系 統休眠的功能。當整車 在長時 間靜置時，由上級控 制器通過 ＣＡＮ 廣播方式，做出采集系統休眠的命令：通過ＳＰＩ可先將ＬＴＣ６８０３配置為低電流方式，然后禁止 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的ＳＰＩ功能；甚至可禁止 ＣＡＮ 發送功能，只使能 ＣＡＮ 接收中斷功能。

本文 采 用 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 和 ＬＴＣ６８０３ 設 計 鋰 離子單體電池采集 系 統。該系 統能采集２４只串 聯動力電池的電 壓，并 通 過 高 速 的 ＣＡＮ 總 線 與 上 級 控制系統通信。經過實 際測試，該 系統的 電壓采集精度在＋３ｍＶ。該系統工作穩定可靠，與其他的控制系統集成后，已經試驗裝車，實現預計功能。