1、畢業設計設計題目 基于單片機控制的電動汽車電池組 均衡控制器的設計學生姓名 學 號 2 專業班級 機械設計制造及其自動化 班 指導教師 院系名稱 機械與汽車工程學院 2013年6月4日目錄中文摘要3英文摘要4 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358485628 1 緒 論 PAGEREF _Toc358485628 h 5 HYPERLINK l _Toc358485629 1.1 研究的目的和意義 PAGEREF _Toc358485629 h 5 HYPERLINK l _Toc358485630 1.2 國內外研究現狀和開展趨勢 PAGEREF _Toc3

2、58485630 h 5 HYPERLINK l _Toc358485631 1.3 均衡控制的優點 PAGEREF _Toc358485631 h 7 HYPERLINK l _Toc358485632 1.4 論文主要內容 PAGEREF _Toc358485632 h 7 HYPERLINK l _Toc358485633 2 總體結構設計 PAGEREF _Toc358485633 h 8 HYPERLINK l _Toc358485634 2.1 總體技術方案 PAGEREF _Toc358485634 h 8 HYPERLINK l _Toc358485635 2.1.1 檢測模塊

3、功能 PAGEREF _Toc358485635 h 8 HYPERLINK l _Toc358485636 2.1.2 均衡電源模塊功能 PAGEREF _Toc358485636 h 8 HYPERLINK l _Toc358485637 2.1.3 控制模塊功能 PAGEREF _Toc358485637 h 8 HYPERLINK l _Toc358485638 2.1.4 均衡放電方法的特征 PAGEREF _Toc358485638 h 9 HYPERLINK l _Toc358485639 2.1.5 總體功能流程 PAGEREF _Toc358485639 h 9 HYPERL

4、INK l _Toc358485640 3 均衡放電硬件電路設計 PAGEREF _Toc358485640 h 11 HYPERLINK l _Toc358485641 3.1 控制模塊的設計 PAGEREF _Toc358485641 h 11 HYPERLINK l _Toc358485642 3.1.1 控制模塊電路的設計 PAGEREF _Toc358485642 h 11 HYPERLINK l _Toc358485643 3.1.2 主控芯片的選型 PAGEREF _Toc358485643 h 12 HYPERLINK l _Toc358485644 3.2 均衡模塊的設計 P

5、AGEREF _Toc358485644 h 13 HYPERLINK l _Toc358485645 3.3 檢測模塊的設計 PAGEREF _Toc358485645 h 14 HYPERLINK l _Toc358485646 3.3.1 檢測芯片的選取 PAGEREF _Toc358485646 h 14 HYPERLINK l _Toc358485647 3.3.2 電路設計 PAGEREF _Toc358485647 h 15 HYPERLINK l _Toc358485648 3.4 電池模組的設計 PAGEREF _Toc358485648 h 17 HYPERLINK l _

6、Toc358485649 3.5 放電均衡過程 PAGEREF _Toc358485649 h 18 HYPERLINK l _Toc358485650 4 均衡放電的軟件局部設計 PAGEREF _Toc358485650 h 19 HYPERLINK l _Toc358485651 4.1 系統程序總流程 PAGEREF _Toc358485651 h 19 HYPERLINK l _Toc358485652 4.2 數據采集流程 PAGEREF _Toc358485652 h 20 HYPERLINK l _Toc358485653 4.2.1 SPI通訊原理 PAGEREF _Toc3

7、58485653 h 20 HYPERLINK l _Toc358485654 4.2.2 SPI讀寫程序 PAGEREF _Toc358485654 h 21 HYPERLINK l _Toc358485655 4.2.3 LTC6802-1讀寫程序 PAGEREF _Toc358485655 h 21 HYPERLINK l _Toc358485656 4.3 仿真分析 PAGEREF _Toc358485656 h 23 HYPERLINK l _Toc358485657 5 感悟與收獲 PAGEREF _Toc358485657 h 25 HYPERLINK l _Toc3584856

8、58 致謝 PAGEREF _Toc358485658 h 26 HYPERLINK l _Toc358485659 參考文獻 PAGEREF _Toc358485659 h 27 HYPERLINK l _Toc358485660 附錄 PAGEREF _Toc358485660 h 29 HYPERLINK l _Toc358485661 系統原理圖 PAGEREF _Toc358485661 h 29基于單片機控制的電動汽車電池組均衡控制器的設計摘 要：在電池使用過程中，由于制造上的差異各個電池的容量和內阻都有所區別，這就導致充電過程中有些過充電，有些欠充電，形成不均衡充電。使用次數越多

9、，不均衡性就越嚴重，會使得電池提前損壞，降低電池壽命，造成高昂的本錢。但是如果在充電過程中參加均衡控制器進行電壓均衡，就可以很大程度的防止此類情況的發生，提高電池的壽命，降低經濟本錢。本文就針對電池充電過程中存在的過充現象設計出了一個均衡控制電路，能有效的抑止電池的過充。關鍵詞：電池 均衡控制 過充電 Design an balancing controller which based on MCU for electric vehicle batteryAbstract：In the process of battery using . Because of the difference o

10、f 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

11、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.Keywo

12、rds：battery overcharge voltage balance1 緒 論1.1 研究的目的和意義燃油汽車工業的不斷開展，造成了全球能源危機的不斷加深以及環境的嚴重污染，促使人們開發新一代節能環保汽車。各國政府和汽車企業也認為，未來汽車產業開展的主流方向是高效節能，低污染及低排放。而電動汽車作零排放優點的綠色交通工具成為各國汽車企業關注的焦點，所以開展電動汽車是解決這一問題的最正確途徑。結合時代的需要，響應時代的號召，為了電動汽車的開展與普及，各國政府相繼采取各種鼓勵措施來推動電動汽車的開展，我國科技部為此制定了863電動汽車重大專項。電動汽車是目前國際國內的重點開展工程，所以作為

13、電動汽車的心臟電池就顯得尤為重要。目前國內對電池充電的研究主要集中在充電方法上，由于串聯電池組的不一致性將對電池組充電過程產生巨大影響，這是任何充電方法都面臨而且必須解決的問題，所以對電池組均衡性控制的研究是電池組電池研究的一個重要組成局部，對推動電動汽車的實用化進程有很大的實用意義。在電池使用過程中，由于制造上的差異各個電池的容量和內阻都有所區別，這就導致充電過程中有些過充電，有些欠充電，形成不均衡充電。使用次數越多，不均衡性就越嚴重，會使得電池提前損壞，降低電池壽命，造成高昂的本錢。但是如果在充電過程中參加均衡控制器進行電壓均衡，就可以很大程度的防止此類情況的發生，提高電池的壽命，降低經濟

14、本錢。1.2 國內外研究現狀和開展趨勢的傳統電池組放電方法中，只是檢測串聯電池組的整體電壓，不檢測各個單體電池的端電壓。這種方法簡單易行，但由于使用過程中各節單體電池的電量不均勻，長期循環使用，差異會更大，使得電量較小的單體電池總是處于“過放狀態，壽命大大縮短，從而影響整個電池組的工作情況。這種放電方法往往設定一個放電終止電壓，當檢測到串聯電池組的電壓低于這個設定值時，終止放電。但是電池組的終止電壓不能反映電池組中的各節單體電池的電壓，所以終止放電時，有些電池會出現“過放現象，有些電池可能還有剩余電量沒有使用，電池組能量使用率低。事實上，電池的電量的影響因素比擬多，同時還受到溫度，充放電次數，

15、電池本身的化學特性等因素的影響。在不同的溫度，充放電循環次數下，電池組在充放電時能夠存儲并且釋放出來的電量是不同的，充滿電時的端電壓也是不同的。要最大限度的利用電池，就需要充放電裝置能夠在不同的環境下，將電池的電量充滿，并能在不損壞電池的情況下，將電池中存儲的能量盡可能的釋放出來共給負載。另外，電池組由于制造工藝和電池成組技術等原因，串聯電池組充電時，單體電池電量存在一定的差異，這種差異會在使用過程中逐漸增大，進而會影響整個電池組的工作狀態，這就要求充放電裝置能夠盡可能地減小甚至消除這種差異，使得電池組在充放電過程中保持均衡狀態。均衡充電的方案有多種，選擇時首先要考慮電路復雜程度和均衡效率。美

16、國托萊多大學在其BMS中采用一種集中式、非耗散型的選擇性推進均衡器。這種方案是通過控制繼電器網絡的切換來對所選擇的單體電池進行均衡充電，硬件設備比獨立均衡簡單，但效率相對較低。北京理工大學在其研發的電動客車BFC6100EV上采用一種電池組均衡充電保護系統方案，實現均衡充電和電池保護的綜合運用，但是在放電時沒有均衡管理，可能出現過放現象。在國內外流行的各種均衡充放電方法中，傳統的均衡充放電不能使電池到達電壓均衡的目的，必須使用主動均衡的方式使電池電壓到達平衡。主動均衡的方法很多,主要有:(1)“開關電容法。在每兩只電池間或多只電池間通過雙向開關并聯一個電容,在兩只電池間頻繁切換電容,使電壓高的

17、電池電量流向電壓低的電池。(2)“變壓器法。變壓器原邊接電池組電壓,副邊為多個相同繞組,每個電池對應一個繞組。原邊接控制開關控制均衡過程。均衡時,副邊輸出電壓相同,SOC低的電池會接受更多電流,從而使電池組到達均衡。缺點是線圈存在漏感和互感,做到各繞組輸出電壓完全一致較困難。(3)DC/DC轉換法。通過DC/DC轉換將SOC高的電池能量向SOC低的電池轉移。(4)電阻放電法。每只電池通過一個開關并聯一個電阻,當充電電壓大于電池的最高限壓時,使開關閉合,通過電阻使充電電流旁路,而其他電池繼續充電,直到所有電池都充滿。此電路的優點是方法簡單,缺點是要將多余的能量消耗掉,轉變成熱量,效率低,對電池組

18、又帶來了散熱的新問題。此方法只適用于小容量電池,因為放電電流不可能太大,一般限制在100200mA之間1。本文使用的是第四種方法，通過自設計均衡充放電電路改善了不利因素，可以使用在所有單體電池小于5V的所有電池組，并且放電電流可到達2A，放電效率高可適用于大容量電池。此外，新添的充電回路補充了放電時的功能，用來管理放電時的過放電池，保證電池在相同的電量狀態下。1.3 均衡控制的優點所設計的均衡充放電控制系統主要具有以下優點：(1)各個單電池電壓都均衡的電池組,其性能和壽命與單個電池類似,不會有巨大差異;(2)可以擺脫由于電池不均衡造成的電池失效,常見的是某些電池長期處于欠充狀態下極板硫化失效和

19、過充電造成電池失水;(3)加主動均衡的電池組不再需要被動均衡的高壓過充電,可降低最高充電電壓,這樣可以使電池失水更少,延長電池壽命,并且大大降低電池熱失控的可能性;(4)當電池組中某只電池損壞后,只需將該只電池更換,而不需整組更換,可節約可觀的費用。均衡充放電系統將使新舊電池電壓保持一致,正常工作7。1.4 論文主要內容論文的主要工作包括以下幾個方面：1設計均衡充放電硬件電路和相關模塊電路，對電路相關元器件進行選型，搭建實驗系統的硬件局部。2根據所需要完成的功能，設計均衡充放電電路控制系統的軟件局部，繪出系統功能流程圖，并進行調試。2 總體結構設計本文設計了一種動力型鋰離子電池均衡充放電控制系

20、統，實現電池組單體電池載荷狀態的監測，以及在較短時間內響應并控制電池組中各節單體電池的充放電狀態。實驗系統結構如圖2-1所示，由控制模塊、均衡電源模塊、檢測模塊、電池模塊組成。 圖2.1 系統結構圖2.1 總體技術方案設計的均衡充放電控制系統主要是面向動力型鋰離子電池，其中實驗系統的動力型鋰離子電池組為12節電池串聯構成的電池模組，每節電池由兩個小電池并聯組成。再通過檢測板和均衡電源板協同處理，實現均衡充電回路和均衡放電回路的切換，而控制模塊負責數據融合處理和命令發送。2 檢測模塊功能 檢測模塊主要對12節電池的電壓溫度進行實時檢測回報給控制模塊，由控制模塊對每節電池的狀態做出評價并返回相應命

21、令。 均衡電源模塊功能 均衡電源模塊在電池充電過程中可控制檢測模塊中的均衡放電回路對相關電池模組的多節電池進行均衡放電。到達均衡狀態時關閉放電回路。 控制模塊功能 控制模塊包括主控芯片及其外圍電路，主控芯片分別與檢測模塊的電壓檢測回路、均衡充電回路連接。主控芯片主要功能：通過電路對檢測模塊中均衡充電回路，可以實現對任意指定的一節電池進行均衡充電。主控芯片接收檢測模塊中電壓檢測回路檢測到的電池模組中各節單體電池的電壓值并進行運算比擬處理，當電池模組中的某節單體電池處于“過充電狀態時，控制模塊中的控制程序驅動均衡電源模塊，結合檢測模塊中的光耦合器件和檢測芯片的控制門翻開檢測模塊中的均衡放電回路。

22、均衡放電方法的特征與其他的傳統電池均衡充放電方法相比，其特征在于： 1.檢測模塊、電池模組均內置級聯端口，電池模組通過級聯端口實現電池模組的串聯，檢測模塊通過級聯端口相互級聯實現對相互串聯的電池模組實現均衡控制。2.控制模塊通過檢測模塊中的電壓檢測回路檢測電池模組中各節單體電池的電壓信號來判斷所述各節單體電池的充放電狀態，當檢測到某節電池的狀態異常時，控制模塊同時控制均衡電源模塊和檢測模塊的均衡充回路實現充電過程的均衡控制。3.檢測模塊可以與控制模塊實時通信，將電壓和溫度數值傳送給控制模塊，用以實現對任意指定的一節電池進行均衡充電。 總體功能流程該均衡充電電路的設計是以各節單體電池的電壓量為衡

23、量依據，在充電過程中，通過電壓檢測回路來檢測各節單體電池的電壓，通過在控制模塊中對檢測得到的電壓值進行運算比擬處理，確定各節單體電池是處于“過充狀態還是“正常狀態，然后通過控制模塊控制均衡放電回路，到達使“過充電池放慢充電速度的目的，實現均衡充電。 均衡充放電電路控制系統包括控制模塊、均衡電源模塊、檢測模塊和電池模組，控制模塊內部包括主控芯片和輸出電路，檢測模塊中集成了電壓檢測、均衡充電兩個回路，通過檢測模塊和控制模塊的實時通訊可以實現對任意指定的一節電池進行均衡充電，檢測模塊和電池模組均可以通過級聯的方式實現對多個串聯電池模組的檢測。對電池均衡充放電的管理方法是，在充放電過程中，實時檢測各節

24、單體電池的電壓參數，通過相應的融合計算，對采集得到的電壓信號進行處理，從而判斷各節單體電池所處的狀態，是“正常狀態還是“過充狀態。在充電過程中，對于處于“過充狀態的電池采用均衡放電回路并聯電阻分流，來降低其充電速度，從而到達系統均衡充放電的目的。均衡電源模塊用于在充放電過程中對異常狀態的電池及時進行處理，以到達均衡充電的目的。電池模組由12節電池串聯而成，每個并聯單體電池的端點都通過引腳引出，通過接插件接入檢測模塊3的檢測回路，檢測模塊3通過接插件的引腳之間的電位差來實現電池模組中的單體電池電壓的檢測。3 均衡放電硬件電路設計作為均衡充電的核心局部，硬件電路的設計包括控制模塊、檢測檢測模塊、均

25、衡模塊、電池組模塊。系統總體硬件連接圖見附錄。3.1 控制模塊的設計控制模塊是整個系統的核心，通過對檢測模塊傳輸過來的電池數據進行分析，判斷出電池的充電狀態對過充的電池實施放電均衡。此外控制模塊還會根據用戶的命令對當前的電池電壓和溫度數據進行實時輸出。原理圖如下。圖 控制模塊圖 控制模塊電路的設計控制模塊有一個單片機控制芯片，兩個地址鎖存器，四個輸出數碼管以及一些外圍電路組成。在系統運行過程中單片機對檢測模塊傳送來的電池電壓數據進行分析，篩選出過充電的電池并選擇翻開過充電電池的放電回路以到達均衡目的。在輸出過程中，單片機根據用戶的需要實時輸出電池的電壓溫度。首先翻開鎖存器2，在P0口發出選通信

26、號然后關閉鎖存器2，接著翻開鎖存器1，在P0口輸出電池的電壓或溫度數據，經過轉碼后顯示在數碼管上，最后關閉鎖存器1，完成輸出。 主控芯片的選型主控芯片選用Atmel公司的AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相

27、兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖3.2 T89C51引腳圖示3.2 均衡模塊的設計均衡模塊直接與電池模組相連，控制著電池放電回路的通斷。當控制模塊判斷出哪些電池存在過充問題后，均衡模塊就會翻開相應的放電開關對過充電池進行放電以到達均衡目的。通過研究芯片資料中給出的特征電路再參加自己的理解以及一些新功能，設計出了針對電池模組進行放電均衡的電路。圖3.3 特征電路圖圖3.4 均衡電路圖如圖3.4所示放電開關Q受控制模塊控

28、制，當電池組中出現過充現象時，控制模塊發送控制命令翻開其對應的放電開關Q對電池進行均衡放電。其中二極管，電阻可以組成一個放電回路，可以消耗芯片內部剩余的電能防止燒壞芯片。電容C可以濾除電路中的雜質信號，促進檢測的精確性。3.3 檢測模塊的設計檢測模塊主要對12節電池的電壓溫度進行實時檢測回報給控制模塊，由控制模塊對每節電池的狀態做出評價并返回相應命令。 檢測芯片的選取電壓檢測芯片選用的是凌特公司的LTC6802-1芯片。LTC6802-1是一款完整的電池監視IC，它內置一個 12 位 ADC、一個精確的電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。每個LTC6802-1能夠在輸入共模電壓高達

29、60V 的情況下測量多達 12 個串接電池的電壓，此外還可以把多個LTC6802-1芯片串聯起來以監視長串串聯電池中每節電池的電壓。而且，通過運用獨特的電平移位串行接口，能夠把多個芯片以菊鏈式連接起來，無需使用光耦合器或光隔離器。 當把多個 LTC6802-1 器件串聯起來時，它們就能夠同時運作，從而使電池組中所有電池的電壓測量都能在13ms內完成。一個輸入多工器將電池組連接到一個12位-模數轉換器ADC。一個內部10ppm的電壓參考連接ADC使LTC6802-1具有超高的測量精度。-模數轉換器相對于其他類型的ADC有許多優點例如逐次逼近。LTC6802-1和主處理器的通信是通過SPI兼容串口

30、。LTC6802-1芯片之間可以通過簡單的二極管隔離將數據送往芯片堆棧的上層或下層。有關芯片數據傳輸動作的描述詳見LTC6802-1數據手冊。LTC6802-1還包括平衡單體電池電壓的電路。內部的MOSFET管可以用于給電池放電。這些內部的MOSFET管還可以用于控制外部平衡電路。LTC6802-1通過內部放電到達電池平衡以及用S引腳控制一個外部平衡電路。LTC6802-1無法決定內部MOSFET管的開關。這完全由主處理器即STC12C5A60S2芯片控制的。主處理器寫值給LTC6802-1內部的配置存放器去控制MOSFET管的開關。如果和主處理器的通信被打斷，LTC6802-1的看門狗定時器

31、會關閉放電開關。圖3.5 LTC6802引腳圖 電路設計通過查閱LTC6802芯片資料上給出的特征電路圖以及各引腳的連接方法，設計出了檢測12節電池電壓，溫度的電路原理圖。其中12節電池連接在C1-C12之間，S1-S12為電池過充狀態的放電開關，CD4502為溫度輔助檢測芯片，U3為靜電保護器用以保護枯燥季節靜電對芯片的危害。圖 特征電路圖圖 檢測電路圖如下圖，D01、D02、D03為整流二極管，考慮承載和整流能力，選用1N4007，其特點是：30A的正向浪涌承載能力和1A的最大正向平均整流電流，最高反向耐壓為1000V，正向壓降為1.0V，典型結電容為15PF，最大反向峰值電流為30uA；

32、D04、D05、D06、D07為肖特基二極管，根據芯片所給資料，選用SBD，SBD具有開關HYPERLINK :/baike.baidu /view/30964.htm頻率高和正向壓降低等優點，但其HYPERLINK :/baike.baidu /view/2099379.htm反向擊穿電壓比擬低，大多不高于60V，最高僅約100V；D08為齊納二極管，具有穩壓作用，此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓特性：在臨界擊穿點上,反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓那么保持恒定，穩壓二極管是根據擊穿電壓來分檔的；為了消除檢測板與主控板之間通信信號

33、線的靜電，分別在SPI四條線上接入了ESD抑制器U3。VREG和VREF作為電壓輸出，被用來上拉電壓，VREG為線性穩壓器輸出，可提供4mA電流給負載，VREF為3.075V參考電壓輸出，可以驅動100K的負載，考慮上拉效果功耗和傳輸特性，選用R13、R14、R15電阻值為47K；R09、R10、R11作為SPI通信上拉電阻，主要考慮芯片功耗，盡可能大一點，選用1M電阻；R02、R03作為溫度傳感器輸入上拉電阻，考慮功耗，又兼顧輸入延遲，應選用100K電阻。3.4 電池模組的設計課題中，試驗系統采用的是兩節磷酸鐵鋰電池組成單個單體電池，整個電池組由12組單體電池組成，稱作電池模組。電池模組由方

34、形環氧板黃色作支撐，再附上電池盒。每個單體電池的兩端通過接插件接入到檢測板上，實時檢測電壓數據并上報給主控芯片。硬件設計電路圖見附錄5所示。磷酸鐵鋰是一種新型鋰離子電池電極材料。其特點是放電容量大，價格低廉，無毒性，不造成環境污染。世界各國正競相實現產業化生產。但是其振實密度低，影響電容量。磷酸鐵鋰具體的物理參數：松裝密度：0.7g/cm；振實密度：1.2g/cm；中位徑：2-6um；比外表積155mAh/g；測試條件：半電池，0.2C；電壓：4.0-2.0V；循環次數：2000次。3.5 放電均衡過程具體充電過程如下： 充電過程開始后，檢測模塊檢測回路檢測得到的各節單體電池的電壓信號經過控制

35、模塊內部的電路傳送到主控芯片，主控芯片通過對接收的電壓信號進行運算和比擬，判斷出哪節電池處于“過充狀態，再由主控芯片控制檢測模塊中的均衡放電回路，對相應的電池進行并聯電阻處理，減緩充電速度，到達均衡充電的目的。在整個充電的過程中，當發現單體電池的電壓值與均值差異超過某個范圍時，就進行均衡充電調整過程。均衡充電調整過程具體如下所述，均衡電源模塊中的GPIO1引腳接收主控芯片發出的控制信號，翻開檢測模塊中與“過充單體電池對應的均衡放電回路，對相應的電池并聯電阻處理。在整個充電過程中，電池包的各節單體電池電壓同步上升，實現了串聯電池組的均衡充電。每節單體電池的充電狀態都是一個動態的過程，當檢測得到的

36、電壓值與電池的額定電壓偏差不超過設定的值時，停止對電池充電，認為電池已充滿。整個充電過程中，電池包的各節單體電池電壓值同步上升，實現了電池組的均衡充電。4 均衡放電的軟件局部設計系統軟件局部的編寫包括電池電壓、電流、溫度的采集程序和負載控制命令程序。其中電壓、溫度的采集都是與電壓檢測芯片LTC6802-1進行通信，需要涉及SPI通信。使用Keil uVision3軟件進行編程C語言。4.1 系統程序總流程圖4.1 均衡充電流程如圖4.1所示，在充電器對電池組充電的階段，主控芯片發送命令控制檢測芯片ltc6802進行電壓檢測，接著在發送AD轉換命令，讀取12路單體電池電壓值，通過內置算法程序將各

37、路電壓值進行運算比擬，判斷各路電池是否發生過充，假設是的話，控制均衡電源板和檢測板，翻開相應放電回路進行處理；假設否，判斷電池組是否充滿，充滿的話那么停止充電器開關，假設否，一周期過后再循環檢測。4.2 數據采集流程 LTC6802-1芯片13ms完成所有電池電壓的檢測，而主控芯片與LTC6802-1的通訊電壓、溫度的打包上傳采用SPI高速同步串行口總線通訊。 SPI通訊原理 SPI是一種全雙工、高速、同步的通信總線，有兩種操作模式：主模式和從模式。在主模式中支持高達3Mbps的速率工作頻率為12MHZ時，如果CPU主頻采用20MHZ到36MHZ，那么可更高，從模式時速度無法太快，SYSCLK

38、/8以內較好,還具有傳輸完成標志和寫沖突標志保護。 SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以用于單向傳輸時，也就是半雙工方式。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI數據輸入，SDO數據輸出，SCLK時鐘，CS片選。 其特點：1.MOSI為SPI總線主機輸出/ 從機輸入SPI Bus Master Output/Slave Input；2.MISO為SPI總線主機輸入/ 從機輸出SPI Bus Master Input/Slave Output)；3.SCLK為時鐘信號，由主設備產生；4.CS為從設備使能信號，由

39、主設備控制。 其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時高電位或低電位，對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。接下來就負責通訊的3根線了,通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDI，SDO那么基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變上沿和下沿為一次，就可以完成8位數據的傳輸。要注意的是

40、，SCLK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。 SPI讀寫程序在SPI中，傳輸總是由主機啟動的。如果SPI時能SPEN=1并選擇作為主機，主機對SPI數據存放器的寫操作將啟動SPI時鐘發生器和數據的傳輸。在數據寫入SPDAT之后的半小到一個SPI位時間后，數據將出現在MOSI腳。需要注意的是，主機可以通過將對應器件的SS腳驅動為低電平實現與之通信。寫入主機SPDAT存放器的數據從MOSI腳移出發送到從機的MOSI腳。同時從機SPDAT存放器的數據從MISO腳移出發送到主機的MISO腳。傳輸完一個字節后，SPI時鐘發生器停止，傳輸完成標

41、志SPIF置位并產生一個中斷如果SPI中斷使能。主機和從機CPU的兩個移位存放器可以看作是一個16循環移位存放器。當數據從主機移位傳送到從機的同時，數據也以相反的方向移入。這意味著在一個移位周期中，主機和從機的數據相互交換。SPI讀寫C程序見附錄1所示。 LTC6802-1讀寫程序根據LTC6802-1芯片數據手冊知，芯片內主要含有6組配置存放器，用來初始化芯片；18組電壓存放器，用來存儲12組電壓數據；3組標志存放器存放運算標志；5組溫度傳感器存儲溫度；一組pec存放器存放數據包錯誤代碼。a.初始化寫配置存放器步驟： 1.CSBI電平置低； 2.發送WRCFG命令字； 3.發送CFGR0字給

42、頂層芯片，然后CFGR1(T)，CFGR2(T)，CFGR5(T)； 4.發送CFGR0字給中間層芯片，然后CFGR1(M)，CFGR2(M)，CFGR5(M)； 5.發送CFGR0字給底層芯片，然后CFGR1(B)，CFGR2(B)，CFGR5(B)； 6.CSBI置高，在CSBI的上升沿，數據被鎖存到芯片。 以上步驟的串行接口時間計算： 組中芯片數N；序列中字節數=B=1命令字節每芯片6數據字節1+6*N； 串行端口波特率F；時間1/F*B*8 bits/byte = (1/F)*(1+6*N)*8；上面的3芯片級聯組在串行端口波特率為1MHz時的時間1/1000000*(1+6*3)*8

43、=152us。 b.讀單體電壓存放器12節單體模式： 1.CSBI置低； 2.發送RDCV命令字節； 3.讀取底層芯片的CVR00字節，然后CVR01(B),CVR02(B),CVR17(B),最后PEC(B)； 4.讀取中間層芯片的CVR00字節，然后CVR01(M),CVR02(M),CVR17(M),最后PEC(M)； 5.讀取頂層芯片的CVR00字節，然后CVR01(T),CVR02(T),CVR17(T),最后PEC(T)； 6.CSBI置高。 上面步驟的串行接口時間計算：組中芯片數N；序列中字節數=B=1命令字節每芯片18數據字節外加1PEC字節1+19*N；串行端口波特率F；時間

44、1/F*B*8bits/byte=(1/F)*(1+19*N)*8；上面的3芯片級聯組在串行端口頻率為1MHz時的時間1/1000000*(1+19*3)*8=464us。c.開始單體電壓A/D轉換和輪詢狀態切換輪詢: 1.CSBI置低； 2.發送STCVAD命令字節組中所有芯片同時開始A/D轉換； 3.底層芯片的SDO輸出被置低大約12ms； 4.SDO輸出以1KHz的頻率切換，表示菊鏈中的所有芯片都已完成轉換； 5.CSBI置高離開輪詢。 d.輪詢中斷狀態等級輪詢: 1.CSBI置低； 2.發送PLINT命令字節； 3.假設任一芯片有中斷請求，底部芯片的SDO輸出被拉低；否那么，SDO為高

45、； 4.CSBI置高離開輪詢。圖 ltc6802-1讀寫流程如圖4-3所示，總體讀寫程序流程步驟為：1.發送寫配置存放器命令，寫配置存放器，初始化LTC6802-1芯片； 2.發送AD轉換命令，延時； 3.發送讀電壓存放器命令，讀取電壓值； 4.發送讀溫度存放器命令，讀取溫度值；5.將12位AD轉換的數據轉成正常數據。LTC6802-1相關程序見附錄所示。4.3 仿真分析為了驗證正確性，我在Proteus仿真軟件中繪制了輸出局部的原理圖并將寫好的程序輸進去進行仿真運行，仿真結果證明了電路及程序的正確性。下面為仿真分析時的進行圖。Proteus軟件是英國Labcenter electronics

46、公司出版的EDA工具軟件該軟件中國總代理為廣州風標電子技術。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。具體過程為：將單片機進行初始化通過P2口翻開地址鎖存器，選通所需要的數碼管從單片機的P0口輸出電壓數值數碼管顯示并鎖存關閉地址鎖存器圖 仿真分析圖5 感悟與收獲畢業設計臨近結束，回憶這半年的時間，大局部時間都是在實驗室度過的，跟著師兄師姐們后面學習，進步。從開始的一無所知走到現在，已經是個不小的進步。畢業設計還沒開始的時候

47、，我保研到機汽學院的機械電子工程專業，進入分布式控制研究所學習，跟隨張利老師學習。不久便我進入實驗室學習。今年5月份，我參與到便攜式動力電池測試與評估系統這個工程，起初我一無所知，主要幫師兄師姐打打下手，并查閱資料，補充相關工程知識等等，在師兄師姐們的帶著下，我們漸漸地融入工程，并參與任務分工。今年6月份，經過我們團隊的努力，在安徽省第5屆“挑戰杯大學生課外學術科技作品作品競賽中，我們團隊的作品?便攜式動力電池測試與評估系統?榮獲一等獎。經過半年的忙碌和工作，本次畢業設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的催促指導，以及一起工作的同

48、學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。在這次畢業設計中苦惱過，無奈過，糾結過。但是經過老師，師兄，同學的幫助，我一個又一個的克服了這些困難。經過了這些過程后體會到的是成就感，喜悅感。在其中我學到了很多，了解了很多，自己的知識面有了很大的提高。其中主要有:學會了用Altium Designer繪制電路圖，掌握幾種元件的用法。接觸到了PCB板的繪制，有了一定的實際經驗。初步學會了單片機編程，了解到一些單片機的用法。辦公軟件如word,PPT等有了很大的提高。對于硬件電路方面有了一定理解。致謝經過四年的學習，終于在老師的悉心指導下完成了此次畢業設計，特此向指導老師張利老師表達誠摯的謝意。做本次畢

49、業設時，遇到了很多問題，但是張老師在百忙之中始終不忘幫助我解決問題，指導我發現新問題，并對我的畢業設計提出了許多珍貴的建議。在畢業設計期間，張老師對我們很嚴格，但這更促使我們學習到了更多的東西。在寫論文期間，張老師更是不辭辛苦地指導我，不僅對論文內容給予建議，也對論文格式進行指導，讓我知道了如何將自己的設計成果完整清楚地表達出來。另外，我要感謝在此次畢業設計中給予我幫助、給予我建議的黃業偉師兄，他在電路設計及軟件編程方面給予了我很多幫助，而且在論文寫作中也給予了我很多建議；感謝與我一同做畢業設計的吳壽輝同學，他懂的知識比我多很多，平時我又很多問題都是他細心的為我解答，這樣我的畢業設計才能完美完

50、成。在這次畢業設計中，沒有老師和同學的指導，我的畢業設計到不了現在地步，再一次衷心的感謝他們！參考文獻1HYPERLINK :/ cqvip /asp/vipsearch.asp?Query=&Type=A劉有兵，HYPERLINK :/ cqvip /asp/vipsearch.asp?Query=?&Type=A齊鉑金，HYPERLINK :/ cqvip /asp/vipsearch.asp?Query=?&Type=A宮學庚編電動汽車動力電池均衡充電的研究HYPERLINK :/ cqvip /asp/vipsearch.asp?Query=?&Type=S北京航空航天大學機械工程及自

51、動化學院2張欣, 孫宏昌, 尹霞編著HYPERLINK :/:8080/opac/openlink.php?title=%25%156%1C+jD%1D0CC51%23%3Cb9X,6+i$%11-%3C%23%3C單片機原理與C51程序設計根底教程北京:清華大學出版社,20213黃可龍, 王兆翔, 劉素琴編著HYPERLINK :/:8080/opac/openlink.php?title=_%1E0GC%25W%23HD%1D0C)H,l,:e鋰離子電池原理與關鍵技術北京:化學工業出版社,20214周荷琴，吳秀清微型計算機原理與接口技術合肥：

52、中國科學技術大學出版社，2004，125黃勤主編HYPERLINK :/:8080/opac/openlink.php?title=%25%156%1C+jD%1D0,%20C%16C3單片機原理及應用北京:清華大學出版社,20216沈任元，吳勇，唐俊英, 田培成, 鄭英蘭編HYPERLINK :/:8080/opac/openlink.php?title=%23%13C3%25WGCD%1A6g,n,b3g:F%22Q常用電子元器件簡明手冊北京:機械工業出版社,20217孟貴華, 孟鈺宇等編著HYPERLINK :/:8

53、080/opac/openlink.php?title=%25WGCD%1A6g,nA%11C3/%5C;I835電子元器件選用快速入門8周守昌編電路原理北京:高等教育出版社,20049文國光主編電池電化學北京:電子工業出版社,199510穆秀春, 馮新宇, 王宇等HYPERLINK :/:8080/opac/openlink.php?title=Altium+DesignerD%1D0=,CPCB9X,6Altium Designer原理圖與PCB設計11吳國鳳，宣善立C/C+程序設計北京：高等教育出版社，2006，812谷樹忠, 劉文洲, 姜航編著.HYPERLIN

54、K :/:8080/opac/openlink.php?title=Altium+Designer-%3C%23%3CAltium Designer教程:原理圖、PCB設計與仿真北京:電子工業出版社,202113鄭杭波. 新型電動汽車鋰電池管理系統的研究與實現D. 北京: 清華大學, 2004.14 劉春梅, 朱世寧. 電池組雙向無損均衡充放電模塊的設計J. 電子設計, 2006, 12: 251-253.15王海明, 鄭繩楦, 劉興順. 鋰離子電池的特點及應用J. 電氣時代, 2004, 03: 132-134.16潘靖. 鋰電池智能管理系統D. 浙江: 浙江大學,

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56、ynamic 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: