基于MSP430单片机的12节锂电池管理系统

研 究 与 设 计２０１１． ５ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ５收稿日期： ２０１０－１２－１１作者简介： 张金顶（ １９８４ — ） ， 男， 河南省人， 硕士生， 主要研究方向为传感器电路与系统； 导师： 王太宏（ １９６６ — ） ， 男， 湖北省人， 博士生导师， 主要研究方向为微纳传感与系统方向 。５１４基于 Ｍ Ｓ Ｐ ４３０ 单片机的 １２ 节锂电池管理系统张金顶， 王太宏， 龙 泽， 雷晶晶， 李 进(湖南大学 微纳光电器件及应用教育部重点实验室， 湖南 长沙 410082)摘要： 设计了一种以 Ｍ Ｓ Ｐ ４３０ 单片机和 ＬＴＣ ６８０２ 芯片为核心的锂电池管理系统 。 实现对 １２ 节锂离子单体电池电压的检测及显示， 对电池组充放电进行监控和保护， 实现电池组的 Ｓ Ｏ Ｃ 估算和充放电均衡， 利用 Ｃ Ａ Ｎ 总线对其进行通讯设计 。关键词： Ｍ Ｓ Ｐ ４３０； 锂电池； ＬＴＣ ６８０２； Ｃ Ａ Ｎ 总线中图分类号： ＴＭ ９１２． ９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－０８７ Ｘ （ ２０１１） ０５－０５１４－０３12 Li-ion battery managementsystembasedon MSP430ZHANG Jin-ding, WANG Tai-hong, LONG Ze, LEI Jing-jing, LI Jin(Key Laboratoryfor Micro-Nano OptoelectronicDevicesof Ministry of Education, Hunan University, ChangshaHunan 410082,China)Ａ ｂｓｔ ｒ ａｃｔ ：Ａ Ｌｉ －ｉ ｏｎ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ ｍ ａｎａｇｅｍ ｅｎｔｓｙｓｔ ｅｍ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｍ Ｓ Ｐ ４３０ ａｎｄ ＬＴＣ ６８０２ ａｓ ｔ ｈｅ ｃｏｒ ｅ ｗ ａｓ ｄｅｓｃｒ ｉ ｂｅｄ ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐａｐｅｒ ．Ｔｈｅ ｓｉ ｎｇｌ ｅ ｌ ｉ ｔ ｈｉ ｕｍ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ ｖｏｌ ｔ ａｇｅ ｗ ａｓ ｔ ｅｓｔ ｅｄ ａｎｄ ｄｉ ｓｐｌ ａｙｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒ ｏｔ ｅｃｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｍ ｏｎｉ ｔ ｏｒ ｉ ｎｇ ｐｅｒ ｆ ｏｒ ｍ ａｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｒ ｇｅａｎｄ ｄｉ ｓｃｈａｒ ｇｅ ｏｆｔ ｈｅ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ， ｔ ｈｅ ｅｓｔ ｉ ｍ ａｔ ｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｓｔ ａｔ ｅ ｏｆ ｃｈａｒ ｇｅ （ Ｓ Ｏ Ｃ ） ａｎｄ ｔ ｈｅ ｂａｌ ａｎｃｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ ｗ ａｓ ｒ ｅａｌ ｉ ｚｅｄｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐａｐｅｒ ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔ ｅｍ ｃｏｕｌ ｄ ｃｏｍ ｍ ｕｎｉ ｃａｔ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｏｔ ｈｅｒ ｕｓｉ ｎｇ Ｃ Ａ Ｎ ｂｕｓ．Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒ ｄｓ：Ｍ Ｓ Ｐ ４３０；Ｌｉ －ｉ ｏｎ ｂａｔ ｔ ｅｒ ｙ；ＬＴＣ ６８０２；Ｃ Ａ Ｎ ｂｕｓ近年来， 环保和节能的问题日益突出， 电动车和便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代 。 锂离子电池(简称锂电池 )由于其具有能量密度高 、 使用寿命长 、 自放电小 、 无记忆效应及单节电池电压高等诸多优点， 迅速成为市场的主流电池产品 。锂电池具有过充电引发起火和过放电导致特性下降的危险， 如不进行精密的电压电流管理， 便不能发挥其性能， 因此须在锂电池组中安装保护电路 。 为此，本文提供了一种以MSP430 为核心的电池管理系统， 它通过对 12 节锂电池组单体电池状态的检测， 实现对电池组的管理， 防止过充电和过放电，并完成 SOC 估算和均衡，同时通过 CAN 总线与外部通讯 。１ 系统的硬件设计图 1 是该系统的框图 。 电池检测单元 LTC6802 测量 12 节单体电压值，并可以控制均衡电路对电池组进行电阻均衡； 单片机通过 SPI 同步通讯口读取电压数据，经过内部处理后用LCD 显示， 同时单片机将采样到温度 、 电压等信号与系统设定的报警点比较， 通过充放电控制单元 [1]， 控制相应的接触器的吸合或关闭， 防止对电池组过充电或过放电； 并可通过 CAN 总线与其他主机通信 。 另外， 可以通过按键修改系统参数 。１． １ Ｃ Ｐ Ｕ 及其外围接口电路为了最大限度地利用单片机端口和片内外设并降低设计成本， 本系统选用 MSP430F149。 该单片机具有极低的功耗 、 强大的处理能力 、 丰富的片上外围模块 、 方便高效的开发方式等特点 。 它有 6 个 8 位并行端口， 且 2 个 8 位端口有中断能力，内置一个 12 位 AD 转换器， 两通道串行通讯接口可用于异步或同步 (UART/SPI) 模式， 60 kB 的 FLASH, 可使用 JTAG 口方便地进行程序的下载和调试， 完全满足本系统的需要 [4]。CPU 采用内部 1 MHz 晶振 。 单片机通过 SPI 模式控制LTC6802 的工作， 通过外部中断来识别四个按键的状态 。 单片机的 P4、 P5 口用来 LCD 显示， P3.7 通过和数字温度传感器DS18B20 来检测电池温度， P3.5 口和 P3.6 口分别控制充放电控制单元， 另外用单片机 P6 口和部分 P2 口利用 CAN 总线通信 。１． ２ 电压检测模块电路本设计采用多节电池组监控芯片 LTC6802 。 该芯片是一款完整的电池监视 IC， 它内置一个 12 位 ADC 、 一个精准电压基准 、 一个高电压输入多工器和一个串行接口 。 LTC6802 能够在输入共模电压高达 60 V 的条件下测量多达 12 个串接电池的电压，在 － 40～ 85 ℃ 的范围内最大总测量误差保证小于图 １ 系统框图２０１１． ５ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ５研 究 与 设 计５１５0.25%， 而且电池组中每节电池的电压测量都可以在 13 ms 之内完成， 对每节电池均进行了欠压和过压条件监视， 并提供了一个相关联的 MOSFET 开关， 用于对过充电电池进行放电 。 该器件的专有设计能够把多个 LTC6802 串联起来， 无需使用光耦合器或光隔离器，以实现长串串接电池中每节电池的精准电压监视 。LTC6802 有两组串行口引脚， 指定为低边和高边， 其中高边端口 (CSBO、 SDOI、 SCKO) 用来和上端的 LTC6802 的低边端口级联通信 。 低边端口 (CSBI、 SDI、 SCKI、 SDO) 是一个数据包误差检验功能的 1 MHz 串行接口， 本设计采用 SPI 口读取电压信号， LTC6802 的低边端口与 MSP430F149 的串行模块USART0 直接相连，将 USART0 配置成 SPI 工作模式进行数据传输 。 具体电路如图 2 所示 。１． ３ Ｃ Ａ Ｎ 总线通讯电路通讯模块实现上位机与现场微处理器之间的长距离数据通讯 。 CAN 总线 [2] 控制器选用 Philips 公司的 SJA1000， CAN总线收发器选用 Philips 公司 PCA82C250 产品 , MSP430F149和 SJA1000 以总线方式连接，由于 MSP430 信号电平为 3.3V， 而 CAN 总线控制器电平为 5 V ， 所以所有信号之间均需要电平转换，本例中使用了 SN74LVC4245A 作为电平转换芯片 。 SJA1000 的发送输出端 TX0 与接收输入端 RXO、 RX1 分别经高速集成光电耦合器 6N137 隔离后，与 CAN 总线接口驱动芯片 82C250 的 TXD 和 RXD 相连 。该电路的主要功能是通过 CAN 总线接收来自上位机的数据进行分析后下传给下位机的控制电路实现控制功能， 当接收到下位机的上传数据， SJA1000 就产生一个中断， 引发微处理器产生中断， 通过中断处理程序接收信息并通过 CAN 总线上传给上位机进行分析 。CAN 总线控制器 SJA1000 的 ADO-AD7 连接到 MSP430的 P6 口 。 其他控制引脚与 MSP430 的 P2 口的部分 I/O 相连，具体电路如图 3 所示 。１． ４ 充放电控制电路本系统采用单片机的 P3.5 口和 P3.6 口作为充放电的控制端口， 通过控制大功率继电器来实现电路的通断 。 当系统要求的输出电流较大时，可采用继电器加光耦控制大电流的接触器来实现电路功能 。２ 软件设计由于在设计中采用了微处理器做控制核心，所以软件设计非常重要 。 为了增加程序的可维护性， 方便今后的扩展和程序移植， 所以采用 C 语言编写 [3-4]， 软件设计采用模块化设计思路， 功能模块包括监控程序及初始化模块 、 参数测量模块 、数据计算模块 、 保护模块等 。 其软件设计流程图如图 4 所示 。２． １ 单片机与 ＬＴＣ ６８０２ 的通讯单片机与 LTC6802 之间采用 SPI 的通讯方式 。 它们之间的主要操作是读测量参数值， 配置工作方式， 设置警报点 。 系统上电后， 启动 LTC6802, 测量电池电压数据， 等待 13 ms 后开始读取电压值 。２． ２ 单片机 Ｃ Ａ Ｎ 总线的通讯系统上电后首先对 82C250 和 SJA1000 进行初始化 。 以确定工作主频 、 波特率 、 输出特性等， 然后通过查询方式进行数据通信， 在接收到主机的发送请求后， 发送程序启动发送命令 。 信息从 CAN 控制器发送到总线是由 CAN 控制器自动完成的 。３ 结束语根据以上设计完成的 12 节锂离子管理系统，经测试， 电池电压的数据如表 1 所示，测量误差最大为 15 mV，测量精准， 保护电路的动作偏差小于 20 mV ， 保护电路的设计基本能图 ２ ＬＴＣ ６８０２ 与单片机接口电路图图 ３ Ｃ Ａ Ｎ 通讯电路图图 ４ 主程序流程图研 究 与 设 计２０１１． ５ Ｖ ｏｌ ． ３５ Ｎ ｏ． ５ ５１６够满足电池保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电 、 过放电的保护， 确保电池组的安全 。 有好的人机界面， 操作智能化， 系统运行可靠， 可广泛应用于电动自行车 、 UPS 等场合 。 在电路功耗和电流测量上， 有待进一步提高和改进 。 在本文中， 作者选用了新型电池电压检测芯片， 数字输出信号， 精度高且抗干扰性好， 设计简单； 采用 CAN 总线通信设计， 增大通信距离， 提高系统的瞬间抗干扰能力 。参考文献：[1] 邓邵刚， 汪艳， 李秀青， 等 . 锂电池保护电路的设计 [J]. 电子科技，2006(10): 68-72.[2] 李慧琪 . 基于 CAN 总线的锂离子动力电池组管理系统 [J]. 机电工程技术， 2007， 36(1) ： 81-82 ， 95.[3] 胡大可 . MSP430 系列单片机实用 C 语言程序设计与开发 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 2003.[4] 沈建华， 杨艳琴， 翟骁曙 . MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 [M]. 北京 : 清华大学出版社， 2004.锂 电 材 料 烧 结 窑 炉 窑 具广 告锂电材料烧结窑炉：◆ 氮气保护程序升温箱式实验电炉（ ２ｋｇ－１０ｋｇ／炉）◆ 氮气保护中试用箱式炉（ １５０ｋｇ／炉） （ 烧结磷酸铁锂专用）◆ 氮气保护全自动双推板电窑（ ２００ 吨 ／年） （ 烧结磷酸铁锂专用）◆ 氮气保护网带式电阻炉（ １５０ 吨 ／年） （ 烧结磷酸铁锂专用）◆ Ｒ Ｇ Ｄ 系列全自动辊道炉（ ２００￣３００ 吨 ／年）◆ Ｒ ＴＢ 系列全自动外循环推板窑炉（ ２００￣３００ 吨 ／年）锂电材料窑具：◆ 堇青石复合莫来石匣钵（ ３００ｍ ｍ × ３００ｍ ｍ × ８０ｍ ｍ ， ３２０ｍ ｍ × ３２０ｍ ｍ × ８０ｍ ｍ 等）◆ 刚玉莫来石推板（ ３４０ｍ ｍ × ３４０ｍ ｍ × ３０ｍ ｍ ） 振动压机成型， 寿命可达一年以上 。◆ 系列石墨坩埚 、 匣钵（ 备注： 以上尺寸可按要求定作）联络方式：A： 炉业负责人 （刘俊） 网址： www.yxqjly.com 邮箱： wxzhangq@163.com电话 : 0510-87937911 、 87941395、 13506150966 传真： 0510-87939955、 87569966B： 陶瓷负责人 （徐华军） 网址： www.yxqjtt.com 邮箱： yxqjtt@163.com电话 : 0510-87568686 、 87941395、 13861508362 传真： 0510-87942518公司简介：江苏春雷集团 ——— 宜兴前锦企业， 固定资产 ５０００ 万， 占地 ３． ５ 万平方米， 年销售产值逾 ８０００ 万元，下属前锦炉业 、 前锦特陶 、 前锦高技术窑具 ３ 个子公司 。公司拥有专业职称工程师 ２６ 名， 教授级高级工程师 ２ 名， 进口关键设备 １２ 台 （套） ， 新材料加工实验室及无机新材料测试中心各 １ 个 。