一种车辆动力电池状态检测系统的制作方法

本发明涉及检测系统，特别是一种车辆动力电池状态检测系统。

背景技术：

电动汽车作为未来汽车的发展方向已得到业界的普遍认可及重视，由此推动下，电动汽车产业迅速发展且势头良好。但是电动汽车与目前主流的内燃机汽车相比，电动汽车技术仍不成熟，始终存在一系列与“电”有关的技术问题难以攻克，电动汽车的电池管理就是其中之一。

随着电动汽车技术持续进步，车辆动力电池状态检测系统作为电池储能系统的一部分，越来越受到关注。为了更好地检测动力电池状态以及保证电池组的安全、稳定输出，对检测系统的研究就十分有意义。

虽然目前电动汽车产业正在蓬勃发展，但是动力电池的市场成本过高以及后期的使用寿命问题限制了电动汽车的进一步推广。此外，车辆动力电池往往是一个巨大的电池串并组，数量由几百只单体电池到几千只单体电池不等，因此需要对电池组进行均衡管理、保证单体电池的工作温度以及环境温度，限制大电流的充放等。这些不同的功能需求构成了车辆动力电池状态检测系统，所以更需要对其的各个关键技术进行研究，它对于实时检测动力电池组的状态参数、估算荷电状态和寿命、保证动力电池组的均衡稳定、安全使用等具有重要的意义。

本发明通过对车辆动力电池状态检测硬件系统进行设计，采用分布式的结构，以STM32F103ZET6作为主控制器构成电池控制单元(BCU)，集成总电压、总电流的检测，采用专用芯片LTC6804构成电池采集单元(BMU)，完成单体电池电压、温度的检测，结合软件系统，实现数据采集、数据显示、异常报警以及CAN通讯。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种车辆动力电池状态检测硬件系统的结构设计方案，实现电池均衡管理、故障报警以及状态显示等功能，从而实时保证动力电池组以及整车的安全，延长动力电池的寿命。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的车辆动力电池状态检测系统，其包括用于多节串联电池进行总电压、总电流的检测及均衡管理的电池检测单元，以及采用分布式的结构，以STM32F103ZET6作为主控制器构成的电池控制单元；所述电池检测单元由集成芯片LTC6804-2构成，其isoSPI接口通过单个双绞线连接至ISOSPI隔离式通讯接口LTC6820，构成LTC6804-2的多分支配置，使电池控制单元实现隔离式SPI数据通信，完成单节电池电压、温度的检测。

所述电池控制单元由以电信号相连的主控制器、电源模块、数据采样模块、通信调试模块、人机交互模块组成，其中：主控制器通过内置的电压调节器对工作电压VDD2.0-3.6V进行调节获得自身所需要的1.8V电源；电源模块给主控制器和电池检测单元供电。

所述电源模块，其主电源VDD通常采用24V开关电源，根据电池控制单元的需要，为该系统的外设电路中的电压传感器及信号调理电路提供15V的电源，为通信接口LTC6820、外设电路中的TFT显示屏及电流传感器提供+5V的电源，为主控制器及其外围电路提供3.3V的电源，其中：24V电源采用开关电源Q-120D，±15V电源采用DC-DC模块电源WRA2415S-3WR2，5V电源采用LM2576-5型降压型开关稳压器，直接由24V电源降压得到。

所述的24V开关电源采用N沟道MOS管进行防反接保护，MOS管的S极和D极串联在电源正负极之间，电阻R23提供偏置电压，利用MOS管的开关特性控制电源的导通和断开，正接时，R23提供VGS，此时MOS饱和导通，反接时MOS不导通。

所述的3.3V电源主要为主控制器供电，由5V电源降压得到；由LM1117低压差电压调节器来为该系统提供稳定的3.3V电源。

该检测系统中，当主电源VDD停止供电后，通过备份电池对主控制器的VBAT脚进行供电，该方式采用CR1220纽扣电池和VCC混合供电方式，即使在外部电源断电的时候，依旧能维持该系统的后备区域数据的存储和实时时钟的运行。

所述主控制器STM32F103ZET6有5个时钟源，使用8MHz外部晶振作为高速外部时钟为系统提供时钟参考，采用32.768kHz的石英晶体作为低速外部时钟。

该检测系统还设有外设电路，其由以电信号相连的霍尔传感器、信号调理电路、TFT显示电路、通信接口LTC6820构成。

所述的霍尔传感器包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器，其中：霍尔电压传感器采用HNV-025A型传感器，用于总电压的检测，在电气上实现了输入端与输出端的隔离，直接测量直流、交流电压；霍尔电流传感器采用DHAB S/18型传感器，它将电流信号直接转换成弱电信号，再通过该系统的外设电路中的运放电路及稳压电路将信号连接到主控制器以实现A/D转换。

该系统通过USB口实现5V的电源输入，方便使用上位机进行程序调试；还采用电磁式的有源蜂鸣器，实现该系统的包括过流、过充、过放或过温异常情况的报警功能，该蜂鸣器的驱动信号通过STM32F103ZET6的PB.8来控制。

本发明的有益效果是：

车辆动力电池往往是一个巨大的电池串并组，数量由几百只单体电池到几千只单体电池不等，对电池组进行均衡管理、保证单体电池的工作温度以及环境温度，限制大电流的充放等具有重要的意义。本发明针对车辆动力电池，设计了一款以STM32F103ZET6作为主控制器，LTC6804作为电压采集芯片的车辆动力电池状态检测系统，选用集成芯片LTC6804、霍尔传感器DS18B20和NTC对电池电压、电流、环境温度以及单体温度进行检测。

检测系统选择分布式的拓扑结构，BCU主要进行整个检测系统的通信、信号采样处理、荷电状态估算、数据显示以及报警等功能，同时BCU上集成了总电压、总电流采集模块，直接将采样信号传输给BCU。BMU采用星型方式连接到一个隔离式通信接口LTC6820，再与BCU进行隔离式SPI数据通信，并通过变压器实现电气隔离。

车辆动力电池状态检测系统分为电池控制单元(BCU)和电池检测单元(BMU)两部分。电池检测单元由集成芯片LTC6804-2构成，可以对电池进行检测及均衡管理，该芯片内置isoSPI接口，可以采用单个双绞线连接至ISOSPI隔离式通讯接口LTC6820，构成LTC6804-2的多分支配置，从而电池控制单元实现隔离式SPI数据通信。

电池控制单元是车辆动力电池状态检测系统的核心单元，它控制着整个检测系统的正常运行。电池控制单元一方面需要对电池组的总电压、总电流等参数进行实时的采集，另一方面，还需要通过连接隔离型通讯接口LTC6820与电池采集芯片LTC6804-2进行SPI通信，采集单体电池的电压数据。采集后的数据经处理器处理后，一方面可以对电池组进行必要的安全保护，另一方面，还可以在电池组充放电时对电池进行均衡管理，提高电池组的可用容量和使用寿命。在实时检测的同时，还需要将动力电池的状态显示在车载TFT显示屏上并通过CAN总线发送给整车控制器。硬件电路主要包括了电源模块、数据采样模块、通信调试模块、人机交互模块四个模块。

本发明的主电源为24V开关电源，它为电压传感器及其信号调理电路提供15V的电源，为通信接口LTC6820、TFT显示屏以及电流传感器提供+5V的电源，为主控制器STM32F103ZET6及其外围电路提供3.3V的电源。STM32F103ZET6自身需要1.8V电源，但其可以通过内置的电压调节器对工作电压VDD(2.0-3.6V)进行调节获得。24V电源作为检测系统的总电源，电池控制单元上所有的硬件电源都由此提供，选用开关电源Q-120D，24V工作时能够提供2A的电流。采用N沟道MOS管进行防反接保护，S极和D极串联在电源正负极之间，R23提供偏置电压，利用MOS管的开关特性控制电源的导通和断开。正接时，R23提供VGS，此时MOS饱和导通，反接时MOS不导通。15V电源主要为霍尔电压传感器及其信号调理电路进行供电，由于模拟器件对电源噪声相对敏感，且抗干扰性也相对较差，为了保证总电压采集精度以及信号调理电路的精度，15V电源采用隔离电源。通过对霍尔电压传感器的功耗进行计算，约为0.5W，则15V电源需要满足此要求。本发明采用DC-DC模块电源WRA2415S-3WR2，额定功率为3W，效率可达83％。该模块电源具有宽电压输入，适合电压存在波动的场合，此外具有隔离稳压正负单路输出，隔离电压可以达到1500V，另外还具有低纹波噪声，输出过压保护，自恢复的短路保护等功能。5V电源直接由24V电源降压得到，主要给通信接口LTC6820芯片、霍尔电流传感器、TFT显示屏以及CAN总线收发器进行供电。本发明选用LM2576-5型降压型开关稳压器，其效率可达77％，负载电流可达3A。3.3V电源为主控制器STM34F103ZET6进行供电，由5V电源降压得到，选择LM1117低压差电压调节器来为系统提供稳定的3.3V电源，其内部集成热保护和限流电路。当主电源VDD停止供电后，可以通过备份电池对VBAT脚进行供电，该方式采用CR1220纽扣电池和VCC混合供电方式，即使在外部电源断电的时候，依旧能维持后备区域数据的存储以及提供实时时钟(RTC)运行所需的电源。

本发明的主控制器STM32F103ZET6有5个时钟源。使用8MHz外部晶振作为高速外部时钟(HSE)为系统提供时钟参考。采用32.768kHz的石英晶体作为低速外部时钟(LSE)，这是RTC(Real-Time Clock)的时钟源。

当动力电池组出现过流、过充过放或过温等异常情况时，有必要及时发出警报，以提示目前动力电池的异常状态，这对于电池以及车辆的安全至关重要。本发明采用蜂鸣器实现报警功能。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，一般采用直流电压供电，本发明采用电磁式有源蜂鸣器，自带震荡电路，通电后就能发出警报提示异常。根据STM32的数据手册，STM32的单个IO最大可以提供25mA电流，而蜂鸣器只需要大约30mA左右的驱动电流，基本满足需求。但是结合整体的设计，STM32整个芯片的最大电流不宜超过150mA，所以通过一个三极管实现电流放大后再驱动蜂鸣器。

本发明采用CAN总线实现主控制板与整车控制器等外部控制器的通信，传输速率非常高，可达1Mbps，通信速率高，抗干扰性强，传输数据可靠。

本发明使用的STM32F103ZET6内置了bxCAN模块，即CAN控制器，该模块支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，增加CAN收发器便可以实现CAN通信。本发明采用TJA1050作为CAN收发器。

考虑到检测系统处于大电流变化的电磁环境，其工作环境较差，本发明采取多种抗电磁干扰措施，具有较好的抗干扰能力，包括电气隔离、硬件电路滤波处理、隔离式CAN总线、SPI总线。采用双绞线传输，保证了稳定以及通信间的电气隔离、数字和模拟电路隔离。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的电池控制单元结构图。

图3是本发明的24V电源电路原理图。

图4是本发明的±15V电源电路原理图。

图5是本发明的5V电源电路原理图。

图6是本发明的3.3V电源电路原理图。

图7是本发明的备用电源电路原理图。

图8是本发明的系统时钟电路原理图。

图9是本发明的RTC时钟电路原理图。

图10是本发明的总电压检测电路原理图。

图11是本发明的总电流检测电路原理图。

图12是本发明的串口转USB电路原理图。

图13是本发明的TFT显示模块电路原理图。

图14是本发明的蜂鸣器报警电路原理图。

图15是本发明的CAN通讯电路原理图。

图16是本发明的电池检测单元电路原理图。

图17是本发明的isoSPI隔离式通讯接口LTC6820电路原理图。

图18是本发明的基于NTC热敏电阻的内部温度检测原理图。

图19是本发明的基于DS18B20温度传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作详细说明，但不限定本发明。

本发明提供的车辆动力电池状态检测系统，其结构如图1所示，包括电池控制单元(BCU)和电池检测单元(BMU)两部分，其中：电池检测单元由集成芯片LTC6804-2构成，可以对12节串联电池进行检测及均衡管理，该芯片内置isoSPI接口，可以采用单个双绞线连接至ISOSPI隔离式通讯接口LTC6820，构成LTC6804-2的多分支配置，从而电池控制单元实现隔离式SPI数据通信。

所述电池控制单元是车辆动力电池状态检测硬件系统的核心单元，它控制着整个检测系统的正常运行。该电池控制单元一方面需要对电池组的总电压、总电流等参数进行实时的采集，另一方面，还需要通过连接隔离型通讯接口LTC6820与电池采集芯片LTC6804-2进行SPI通信，采集单体电池的电压数据。采集后的数据经处理器处理后，一方面可以对电池组进行必要的安全保护，另一方面，还可以在电池组充放电时对电池进行均衡管理，提高电池组的可用容量和使用寿命。在实时检测的同时，还需要将动力电池的状态显示在车载TFT显示屏上并通过CAN总线发送给整车控制器。电池控制单元的硬件电路主要包括了电源模块、数据采样模块、通信调试模块、人机交互模块四个模块。

所述电池控制单元由微处理器、电源模块、数据采样模块、通信调试模块、人机交互模块组成，其中：

电池控制单元的微处理器采用STM32F103ZET6。

电源电路给主控制器STM32F103ZET6、霍尔传感器电路、信号调理电路、TFT显示电路以及通信接口LTC6820等外设供电。通常电池控制单元的主电源选择24V开关电源，根据电池控制单元的需要，为电压传感器及其信号调理电路提供15V的电源，为通信接口LTC6820、TFT显示屏以及电流传感器提供+5V的电源，为主控制器STM32F103ZET6及其外围电路提供3.3V的电源。STM32F103ZET6通过内置的电压调节器对工作电压VDD(2.0-3.6V)进行调节获得自身所需要的1.8V电源。主控制板中的电源电路采用DC-DC模块设计。

24V电源选用开关电源Q-120D，电池控制单元上所有的硬件电源都由此提供，24V工作时能够提供2A的电流。24V电源电路采用N沟道MOS管进行防反接保护，S极和D极串联在电源正负极之间，R23提供偏置电压，利用MOS管的开关特性控制电源的导通和断开。正接时，R23提供VGS，此时MOS饱和导通，反接时MOS不导通。

±15V电源采用DC-DC模块电源WRA2415S-3WR2，额定功率为3W，效率可达83％，主要为霍尔电压传感器及其信号调理电路进行供电。该模块电源具有宽电压输入，适合电压存在波动的场合，此外具有隔离稳压正负单路输出，隔离电压可以达到1500V，另外还具有低纹波噪声，输出过压保护，自恢复的短路保护等功能。

5V电源采用LM2576-5型降压型开关稳压器，直接由24V电源降压得到，给通信接口LTC6820芯片、霍尔电流传感器、TFT显示屏以及CAN总线收发器进行供电。

还可通过USB口实现5V的电源输入，方便使用上位机进行程序调试。

3.3V电源主要为主控制器STM34F103ZET6进行供电，由5V电源降压得到。由LM1117低压差电压调节器来为系统提供稳定的3.3V电源。

当主电源VDD停止供电后，可以通过备份电池对VBAT脚进行供电，该方式采用CR1220纽扣电池和VCC混合供电方式，即使在外部电源断电的时候，依旧能维持后备区域数据的存储以及提供实时时钟(RTC)运行所需的电源。

主控制器STM32F103ZET6有5个时钟源，使用8MHz外部晶振作为高速外部时钟(HSE)为系统提供时钟参考，采用32.768kHz的石英晶体作为低速外部时钟(LSE)。

总电压检测电路采用基于霍尔电压传感器的检测方式，在电气上实现了输入端与输出端的隔离，能够直接测量直流、交流等电压，且抗干扰性能力突出。霍尔电压传感器选用HNV-025A型霍尔电压传感器。这是一款利用磁补偿原理的电压传感器，具有良好的线性度，优化的反应时间，较小的体积。为了达到最佳检测精度，应选择合适的电阻R13使传感器达到额定测量电流。采样信号经RC滤波电路处理，再通过二极管钳位电路后接入STM32F103ZET6上的ADC接口，通过程序换算得到电池组的总电压。

总电流检测电路采用基于霍尔电流传感器的检测方式，它将电流信号直接转换成弱电信号，再通过运放电路以及稳压电路将信号连接到控制器以实现A/D转换，且具有较高的检测精度和线性度，并有良好的隔离性能。电流传感器采用DHAB S/18型传感器，这是一款利用霍尔效应的开环传感器，该款传感器为电压输出，且具有大小两个量程，恰好满足动力电池组在充、放电时总电流的差异，此外还具有优异的线性度，低的热零点和热灵敏度漂移

为了方便程序的烧录以及调试，采用一个Mini USB头(USB_232)，通过转换芯片CH340G实现USB转串口。同时，此Mini USB接头也是开发板电源的主要提供口，可以为总控制板提供5V的电源输入。上位机软件MCUISP可以对CH340G进行设置，保证DTR低电平复位以及RTS高电平进Boot Loader，完成一键下载代码的功能，而不需要手动设置BOOT0(启动模式)和置位RESET(复位信号)。

为了将电池状态的各个参数以及异常进行实时反馈，在本发明中设计了显示模块。TFT显示模块采用2.8寸的TFT显示屏，可以显示16位色的真彩图片。TFT即薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)，它在液晶显示屏的每一个像素上都设置有一个薄膜晶体管(TFT)，可以有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，所以大大提高了图像质量。由于STM32F103ZET6片内外设中没有LCD控制器，选择了集成了驱动芯片ILI9320、驱动器、触摸芯片ADS7843的TFT显示屏。引脚29、30、31、33连接到处理器的SPI模块，用于与LCD模块中的触摸芯片通信，其它引脚通过FMSC总线的方式进行访问。

本发明采用蜂鸣器实现过流、过充过放或过温等异常情况的报警功能。蜂鸣器采用电磁式的有源蜂鸣器，自带震荡电路，通电后就能发出警报提示异常。STM32的单个IO提供1mA的电流通过一个三极管实现电流放大后再驱动蜂鸣器。蜂鸣器的驱动信号通过STM32F103ZET6的PB.8来控制。三极管采用一个NPN型三极管，型号为S8050，耗散功率为0.3W(贴片)。

本发明采用CAN总线实现主控制板与整车控制器等外部控制器的通信，CAN总线有如下优点：传输速率非常高，可达1Mbps，通信速率高，抗干扰性强，传输数据可靠。由于STM32F103ZET6内置了bxCAN模块，即CAN控制器，该模块支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，因此采用TJA1050作为CAN收发器实现CAN通信。

单体电池的电压检测方案选用专用电池采样芯片LTC6804，该芯片是第三代多电池的电池组监视器，具有如下特点：

1.可测量多大12节串联电池的电压并且能够以堆迭式的构架检测上百个电池；

2.1.2mV最大总测量误差；

3.内置isoSPI接口，1Mbps隔离式串行通信，采用单根双绞线，最长可达100米，具有低EMI敏感度和辐射；

4.快速模式下可在290us之内完成系统中所有电池的测量，睡眠模式下最低消耗4uA电流。

LTC6804可分为LTC6804-1和LTC6804-2两种类型，使用LTC6804-1时，每个芯片采用菊链式链接，且所有器件采用一根主处理器接线。使用LTC6804-2时，多个器件并联链接至主处理器，而且每个芯片都可以设置地址位，处理器通过对地址位进行寻址。由于在菊链式中，处理器的指令是在序列中串行传输的，其相应所需要的时间就相对较长，所以如果序列中的芯片总数小于16个，则LTC6804-2会更加适用。也可根据实际的电池组参数选择另一类型芯片进行采集。

LTC6804-2芯片能以16位分辨率和优于0.04％的准确度来测量12节串联电池组的电压，内部集成的16位高精度ADC能够将采集的模拟信号转换成数字信号，芯片在工作中直接由所测量的电池进行供能。电路通过外部MOSFET进行电池均衡功能。在放电过程中当单体电池最低电池电压达到最低截止电压(LVC)或在充电过程中当单体最高电压达到最高截止电压(HVC)时，整个动力电池组会断开，所以电池组中任何的不平衡都能极大地降低整个电池组的容量。目前电池的均衡管理可分为耗散型(Passive Balancing)与非耗散型(Active Balancing)两种，耗散型均衡方式将荷电状态较多的单体电池的能量消耗掉直至达到平衡；非耗散型是利用中间储能元件和一系列开关元件，将荷电状态较高的电池的能量转移到荷电状态较低的电池中去。本系统采用耗散型均衡以达到电池组设计与成本、工艺难度之间的平衡。

LTC6804从VREG引脚吸取其所需的大部分功率。需要给VREG施加5V 0.5V的电压，采用DRIVE引脚和少量附加的外部组件形成一个分立式稳压器。当运行时，DRIVE输出引脚提供一个低电流5.6V输出，该输出采用一个分立的NPN晶体管进行缓冲，NPN的集电极电源需要比V—高6V或更多电位。集电极采用一个100Ω/100nF RC去耦网络，以保护NPN免遭顺变的损坏，发射极采用一个1μF电容器进行旁路。

单体电池电压采集芯片LTC6804需要通过isoSPI接口输出给控制器STM32F103ZET6，但是该控制器上并未集成isoSPI接口，为了实现数据传输，采用转换芯片将isoSPI传输的信号转换成STM32F103ZET6能接收的SPI信号，故在两者之间采用一个isoSPI隔离式通信接口LTC6820。

LTC6820的工作原理是通过单个双绞线产生了一个双向隔离式串行端口接口(isoSPI)，从而提供了比非隔离接口更高的安全性和抗噪性。LTC6820使用变压器将标准的SPI信号转换成可通过双绞线缆来回传送的脉冲。isoSPI隔离式通讯接口LTC6820电路采用一对变压器在LTC6820与LTC6804之间实现电气隔离。

考虑到动力电池的工作特性受内外部条件的影响，在实际应用当中，除了针对动力电池本身进行温度检测外，还需要对动力电池组所在的环境温度进行检测，有利于进行后期的SoC估算、热管理以及安全保护等。

由于LTC6804具有5个通用的数字I/O或模拟输入，可以作为温度传感器的输入，考虑到锂电池一般需要检测30％以上的电池，故一个电池组中(12节)选择添加5个NTC用于动力电池自身温度检测，这样检测数量达到40％以上。NTC温度传感器的值选择最为常用的10kΩ(25℃)，VREF2输出级(标称值3V)专为提供直接给温度传感器偏置所需的电流而设计。偏置电阻的选择是与NTC的值相对应，选择10kΩ，25℃时提供1.5V电压。总电路响应在典型电池温度范围内大约为-1％/℃。

动力电池组外部环境温度采样点相对较少，本发明在主控制器上设置DS18B20数字温度传感器电路来进行检测。DS18B20是一种单总线接口方式的温度传感器，检测温度范围为-55～125℃，精度为0.5℃。此外，还支持多点组网功能，多个传感器可以并联在三线上，工作电源为3.0V～5.5V，测试结果以9～12位数字量方式串行传输，具有很强的抗干扰性，便于设计。

考虑到检测系统的工作环境相对较差，处于大电流变化的电磁环境，故本发明检测系统需具有较好的抗干扰能力，采用如下的抗干扰措施：

1.电气隔离。动力电池组为高压系统，检测系统采用LTC6820并结合变压器实现电池检测单元与电池控制单元的隔离，同时，系统电源全部使用隔离式的DC-DC模块，保证了检测系统的电气隔离。

2.硬件电路滤波处理。消除噪声信号对采样、控制信号的干扰，主要采用滤波电容等具有滤波功能的元件来实现，构成RC滤波、LC滤波等消除噪声信号对检测系统的影响。

3.隔离式CAN总线、SPI总线。采用双绞线传输，保证了稳定以及通信间的电气隔离。

4.数字、模拟电路隔离。

本发明提供的车辆动力电池状态检测系统，其工作过程是：

1.初始化。上电后对各个子模块进行初始化，包括时钟、GPIO、延时、报警、USART、SPI、ADC、LCD、KEY、LTC6804等。

2.外部通信。配置SPI，设置与LTC6804的通信。

3.数据采集。启动ADC转换采集霍尔传感器中的总电压、充放电总电流，通过DS18B20温度传感器采集外部环境温度、通过LTC6804采集的单体电电池电压、温度。

4.异常报警。通过判断参数的异常从而实现报警。

5.状态显示。通过TFT显示屏将采集的参数实时显示，并提示异常。