电动汽车锂离子动力蓄电池单体电池管理控制器LECU设计

王玮江（联合汽车电子有限公司/同济大学电子与信息工程学院，上海 200030）

0 前言

结合动力电池技术的小型纯电动乘用车将是3～5年内中国自主汽车产业发展的主导产品，也是我国自主车企的优势。小型纯电动乘用车搭载锂离子动力电池是大多数自主车企的选择。优良的单体电池管理控制器能够延长电池使用寿命，提高整车的动力性、经济性和安全性。由于一般锂离子动力电池均由几十节甚至上百节单体电池构成，采用多通道监测IC，并在其内部集成监测与均衡电路的电池管理控制器在管理单体电池上具有相当大的优势。其在可靠性、抗干扰能力、提高蓄电池组容量有效利用率以及控制效率上表现尤为突出。

1 单体电池管理系统的结构

单体电池控制系统由被控电池、检测电路、均衡电路和单片机系统组成，基本结构如图1所示。单片机的任务是实现对被控电池的数据采集和荷电状态的偏差计算，根据中央控制器CECU对控制指标的要求做出控制决策，产生相应的控制信号，对被控的单体电池进行电压均衡控制。

在实际应用中，数个单体电池组成的电池组由一个单体电池管理控制器LECU统一管理。数个电池组组成一个动力电池模块。单体电池管理控制器LECU内部集成检测电路与均衡电路。与LECU相关的外部通信，采用了CAN总线的形式。

图1 单体电池控制系统基本结构

2 单体电池管理系统控制器LECU硬件结构原理图

本文设计的LECU主要由单体电池监控芯片多通道电池监测IC、单片机（MCU）以及CAN模块组成，PCB板内部通过SPI通讯。其原理结构如图2所示。

3 单体电池管理系统控制器LECU硬件实现

3.1 LECU单体电压监测芯片的选择

图2 LECU硬件结构图

图3 单体电池电压采集与均衡电路原理图

在单体电池管理控制器的设计中，监测芯片采用了Linear Technology公司的LTC多通道电池监测芯片IC。在电压检测与均衡环节均采用该芯片。该多通道电池监测IC利用12个通道测量多达12个串接电池的电压，支持放电均衡。

电压采集与均衡原理如图3所示:一个由12节单体电池串联而成的锂离子电池组利用IC的12个通道引脚C1-C12测量12节单体电池电压。每个单体电池的正极和负极都引出接线端子，加电阻后送入到多通道电池监测IC对应的电压检测引脚Cn上，Cn与C（n+1）之间加电容形成低通滤波器以消除高频干扰。

电池均衡利用多通道电池监测IC的外部电阻放电功能（External Bleeding），放电 （Bleeding）控制引脚为Sn，与MOS管的栅极相连，放电电阻与MOS管的漏极相连后并联在电池的两端，均衡开始后，由Sn信号控制MOS管的开启与关断，从而控制第n节电池是否进行放电。放电电阻选择51/1W电阻。

3.2 LECU主控芯片

图4 温度检测电路

单体电池的电压信息存储在多通道电池监测IC的暂存器中，数据为13位格式的二进制数据，根据电池管理系统协议，需要对数据进行转换，并按照协议制定的规则通过CAN总线向外传输数据，因此本文选用Freescale公司的8位单片机MC9S08DZ16作为LECU的主控芯片MCU。

3.3 温度检测电路

温度测量的设计直接利用主控芯片MC9S08DZ16专门提供的4个温度测量通道。温度检测电路如图4所示。

其中，GPIO0端口为总电压输出口，R33、R34、R35、R36 为分压电阻，TEMP1-4为负温度系数的热敏电阻，阻值随温度增加而减小，将TEMP1-4的端电压输入GPIO1端口，经MC9S08DZ16内部AD转换后可得到相应的温度值。

3.4 CAN通讯电路

LECU通过CAN总线与外部通信的电路原理图如图5所示。本文采用飞利浦公司的PCA82C250 CAN收发器来驱动CAN协议控制器和物理总线接口，提供对总线的差动发送和提供对CAN控制器差动接收能力，电源电压为12V。PCA82C250主要用于驱动CAN信号的接收和发送。

另外，为了增强CAN通讯的可靠性，CAN总线的端点通常要加入终端匹配电阻，终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。双绞线的特性阻抗为120欧，根据本文的具体要求，选择120欧的R20，并通过跳线帽J1选择是否在总线端口连接120欧匹配电阻R20。

3.5 LECU电源模块的设计

电源模块需要把来自车载蓄电池的12V电压转换成LECU 5V的工作电压。此外，电源模块的设计考虑了提高控制器抗传导干扰的能力，以应付车上电磁环境复杂以及减小各部件工作时的传导发射干扰。

图6是对12V电源进行的初步处理。二极管D25是为了防止电源反接时对控制器造成损坏。压敏电阻R40能够吸收12V电源上偶尔出现的尖峰过电压，后续的三个220微法的大电容C12、C13、C19能够进一步吸收尖峰过电压，并且在12V电压短时跌落时，可以作为临时的电源对控制器供电，对后续电路起到稳压作用。去藕电容CF14、CF17能够消除高频RF能量。稳压二极管D26进一步对后续器件提供保护，防止电压过高烧坏器件。

图5 CAN模块原理图

图6 对12V电源的处理

图 7 SPI模块

3.6 多通道电池监测IC与MC9S08DZ16（MCU）之间SPI通信

系统PCB板内部通信采用SPI，SPI是“全双工主从”通讯方式。多通道电池监测IC芯片与MCU之间的数据传输时，主机程序控制数据传输，从机的程序必须配合主机完成传输过程。

SPI模块引出的 4 个引脚为 SS、MISO、MOSI、SPSCK，如图 7。

从机选择引脚为SS:当SS=0时，表示主机选中了该从机，SS=1则未选中该从机。MCU的SPI工作于主机方式，置位高电平。多通道电池监测IC工作于从机方式。

参与数据传输的三个引脚是:时钟SPSCK，主入从出MISO，主出从入MOSI。

主出从入引脚MOSI（Master Out/Slave In）是主机输出、从机输入数据线，对于MCU被设置为主机方式，主机送向从机IC的数据从该引脚输出，IC来自主机MCU的数据从该引脚输入。主入从出引脚MISO（Master In/Slave Out）:从机IC的数据从该引脚输入主机MCU，IC送向主机MCU的数据从该引脚输出。SPI串行时钟引脚SPSCK（SPI Serial Clock）用于控制主机与从机之间的数据传输，在本文的设计中串行时钟信号只能由主机MCU发出，经MCU的SPSCK引脚输出给从机IC的SPSCK引脚，控制整个数据传输过程。在MCU启动一次传送过程中，自动产生8个时钟周期信号从SPSCK引脚输出，SPSCK信号的一个跳变进行一位数据移位过程。

多通道电池监测IC将采集到的12位电压数据从其内部寄存器通过四线SPI给MCU传递数据。移位寄存器为8位，每一工作过程相互传送8位数据。主机MCU发出启动传输信号，此时要传送的数据装入8位移位寄存器，同时产生8个时钟周期信号从SPSCK引脚输出，SPSCK信号的一个跳边进行一位数据移位过程。在SPSCK信号的控制下主机中8位移位寄存器中的数据依次从MOSI引脚送出，到从机的MOSI引脚送入它的8位移位寄存器，此时，从机的数据也通过MISO引脚到主机中。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。在初始化时MCU需要将8位数据写到多通道监测IC指定的控制寄存器来选择IC的工作模式，信息帧必须包含芯片地址、寄存器地址和数据。IC规定了一条信息帧的长度为3个字节，即24bits，根据读和写的不同，信息帧的格式分别为:

写操作（如图8所示）:

MCU将8位数据通过SPI写入IC中指定的控制寄存器，其中D23-D18为被写入的IC芯片地址;D17-D12为寄存器地址;D11-D4为需要写入的数据;当控制位D3被置为0时，D23-D18芯片地址有效。当控制位D3被置为1时，D23-D18芯片地址无效，针对所有IC芯片。

图8 24位写操作格式

电压数据读取操作:

通过SPI MCU从IC芯片中读取12位单体电池电压数据，其中D23-D18为被读取的监测IC芯片地址;D17-D14为该芯片电压采集通道地址;D13-D2为读取的电压数据;D1-D0为CRC校验码。

寄存器读取操作:

MCU从IC芯片中指定的寄存器读取8位数据，其中D23-D18为被读取的IC芯片地址;D17-D12为寄存器地址;D11-D4为读取的寄存器内部数据;D3-D2为附加位，都为0;D1-D0为CRC校验码。

4 结论

采用多通道电压监测IC来控制管理电动汽车动力电池各单体的充放电，并在LECU控制器内部集成监测与均衡电路以及向外通讯的CAN模块。本文所使用的Freescale公司8位单片机MC9S08DZ16作为LECU的控制芯片 MCU，因其采用SPI进行PCB板内部的通讯，使得设计简洁。围绕该芯片完成了系统的硬件设计，该设计具有控制实时性好，抗干扰性强等特点。本系统适用于以锂离子动力蓄电池组为动力的小型纯电动乘用车。

[1]李铁桥，张虹.计算机控制理论与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005（5）

[2]张毅，杨林，卓斌，何小明.燃料电池汽车动力蓄电池管理系统硬件在环仿真应用[J].广西大学学报（自然科学版），2006，12（31）:4.

[3]姜久春.电池管理系统的概况和发展趋势[J].新材料产业，2007，（8）:40～43.

[4]刘有兵，齐铂金，宫学庚.电动汽车动力电池均衡充电的研究[J].工装设备，2004，10（28）:649～651

[5]陈守平，张军，方英民，梁毅.动力电池组特性分析与均衡管理[J].电池工业，2003，（8）:6.

[6]吴友宇，梁红.电动汽车动力电池均衡方法研究[J].汽车工程，2004，（26）:4.

[7]ISO11898 Road Vehicles-Interchange of digital information Controller Area Network for high-speed communication[S].1994