<p>注：*为必填项。</p> <h1>【请在报名阶段填写 ↓】</h1> <h2>*  1、自我/团队介绍</h2> <p>本团队成员来自西安交通大学，均为在读学生。团队主要的研究方向为电动汽车关键技术。主要从事电动汽车动力电池--锂电池特性分析及其控制技术领域。团队成员们具有较为深厚的锂电池领域的理论基础，与此同时具有较丰富的硬件项目开发经历。在电动汽车快速发展的今天，深入研究锂电池控制系统正契合国家发展战略需求，对电动汽车发展具有重大意义。在科研过程中发现该领域均需要对成组锂电池信息的采集，所以团队参与本次比赛，旨在开发一块用于锂电池控制系统领域的状态参数采集板，设计开发完成后开源此项目，为其他相关领域技术人员提供帮助。该项目中涉及到的硬件单板、单板程序和上位机程序等相关资料均开源，保证相关人员可以通过此这些资料快速开发属出所需的产品。</p> <h2>*  2、简要介绍项目</h2> <p>由于锂电池具有循环寿命长、高能量密度、低自放电率、无记忆效应以及清洁环保等优点被广泛地作为动力电池应用于电动汽车中。然而对锂电池的操作不当会导致严重后果，如降低电池寿命、降低电池容量、甚至引发热失控、起火爆炸等。同时在锂电池荷电状态SOC预测、健康寿命SOH估计、电池故障诊断及电池热管理技术等领域均需要对锂电池组电压、温度两个参数进行实时采集，所以需要设计并制造一块具备较高精度的锂电池状态参数采集板。由于电动汽车对续航要求高，电动汽车的电池包中集成了大量的锂电池单体，这就要求所设计的状态参数采集板具有高可靠性，并且能够满足车规级要求。本次项目开发的锂电池状态参数采集板，用于采集在电池组工作过程中各单体锂电池的电压信息。其具有以下特点：</p> <p>（1） 可以同时最多采集12路电压信号，精度可以达到2mV；</p> <p>（2） 主控与采样前端芯片均为车规级芯片；</p> <p>（3） 高低压进行了隔离；</p> <p>（4）本项目不仅开发了数据采集板，同时开发了与其匹配的上位机，可实现到手即用，大大减少硬件上得开发时间。另外该项目的所以资料均已进行开源，希望能为相关开发人员提供一些帮助。</p> <h1>【请在竞赛阶段填写 ↓】</h1> <h2>*  1、描述项目详情</h2> <p>该采集板一次最多可以采集12节电池电压信号，精度可以达到2mV。采样前端采用ADI公司专为电动汽车锂电池电压信号采集开发的集成芯片，由于电动汽车中具有大量的电池单体，若采用传统的分立元件采集电压信号将会导致硬件成本升高和元器件数量增多带来的可靠性降低的问题。采集板主控采用了恩智浦的S12系列单片机，单片机与采样前端芯片之间采用隔离的SPI通讯方式。采集板的电源设计方案为双电源供电，输入端电压为12V，经过初级7805LDO降压后为低压侧芯片供电，同时通过DCDC隔离电源产生高压侧9V输入电压信号，通过DCDC实现电源之间的物理隔离。DCDC的9V输入电压经过高压侧7805LDO转换为5V，为高压侧的芯片供电。采集板与外部期间的通讯采用CAN接口，CAN驱动芯片为NXP生产的1050T芯片，CAN控制器为单片机自带的外设。为了便于调试还留有串口，上位机与采集板之间通过串口通讯。上位机采用Labview软件编写，将采集到的数据直观的显示到界面上，供相关人员参考。与此同时也可以针对不同的任务进行程序修改，以满足其他需求。</p> <h2>*  2、描述项目所面临的挑战及所解决的问题</h2> <p>1. 多路电压采集困难</p> <p>实验室所用的锂电池测试设备一般为八通道，通道数有限且价格昂贵。实际的电池包可能由上百节电池串联而成，若相对电池包进行研究，就需要更多的电压采集通道，该采集板单板便可采集12路电压信息，后续还可以多个采集板组成分布式应用，若采样频率为1Hz,则最多可支持高达15块采集板，可以支持高达600V的电压平台。</p> <p>2. 串口通讯数据同步问题</p> <p>下位机与上位机采用串口通讯时存在数据不同步的问题，上位机读取到的数据可能是缓存中的相邻两帧数据拼接成的一帧数据，这样就会使得上位机采到的数据与下位机不匹配。为了解决这一问题制定了了上位机与采集板之间的通讯协议，采用应答模式。上位机将带有采集板地址、采样频率、命令类型和帧尾等信息以一定的采集频率发送给采集板，采集板收到相应信息并校验，校验正确后返回数据，这样缓冲区中始终只存在一帧数据，避免了数据不同步的问题。另外该协议可以支持多块采集板与一块主控板之间的通讯冲突问题。除此之外解决串口通讯不同步的问题还可以将数据打包成具有帧头帧尾的数据，通过识别帧头或帧尾来截取完整的数据，但该方式需要特别注意帧头帧尾不能与有效数据重复，否则容易误识别。另外此种通讯方式为被动方式，在一主多从的通讯中容易产生串口通讯冲突。</p> <p>发送命令格式如下图所示，发送的命令包括采集板地址、采样频率、命令类型及帧尾。每块采集板都具有自己的地址，只有命令的地址与自己的地址一致才会做出相应，因此可以避免多个采集板之间的通讯冲突。由于采用应答通讯模式，因此采样频率也是发送命令的频率。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ATDrP9cdCOL8ETUgHs6WKuT7uuSBhThZ9ngIN0W6.png" alt="image.png"></p> <p>采集板会根据不同的命令类型返回不同的数据，因此上位机需要根据命令类型来确定每次读取的串口缓冲区的字节数，通过判断缓冲区中的字节数是否与该命令所需回复的字节数是否一致便可初步判断通讯是否正常，如下图所示，若通讯异常则会做出相应的提示。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/PNCDa7FITuCwR5y823qiWmcreyznXiRhKrHinn8a.png" alt="image.png"></p> <p>3. 采样前端与主控芯片的SPI通讯时序问题</p> <p>采样前端采用的芯片为ADI公司的LTC6811芯片，该系列芯片被应用于特斯拉等多款量产电动汽车上，其优良性能已得到验证。该芯片通过SPI接口与采集板上的主控芯片进行通信。该芯片为了降低功耗，其内核具有多种工作模式，并且其通讯接口野菊有不同的工作模式，如下图所示。采样芯片内核在工作时需要在不同的模式下切换，在通讯时也在不同的通讯模式下切换。与此同时不同的命令类型的响应时间也各不相同，因此在开发时需要额外注意采样前端芯片与主控芯片的通讯时序问题。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/jl2K3V0meF6UQcZ8o1ypAj7OaRhhvD9IQZvyS0DF.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/2sYcRZTWC1gX1apBTzxmFnIUn2mvrBQ1Zuw0RLST.png" alt="image.png"></p> <p>并且完成不同类型的命令的时间也不同，因此在发送命令以后还需根据，命令的完成时间做出相应的等待。</p> <p>4. 采样板高低压隔离</p> <p>采样前端芯片负责电压与温度的采集，采样前端与电池直接相连，电动汽车的电池组通过串联电压可达数百伏，为了采集板的的可靠性与安全必须进行高低压的隔离。由于采用SPI通讯，因此采用数字隔离芯片。数字隔离芯片原理图如下图所示，隔离芯片需要两路隔离电源进行供电，分别是VCC及VCC_5V。</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/yFHUc3eNfWPGPcneZMnOzBQZ9gnsbuy0spWlC262.png" alt="image.png"></p> <p>数字隔离芯片的低压侧VCC供电通过7805LDO降压芯片输出的5V供电如下图所示：</p> <p><strong><img src="//image.lceda.cn/pullimage/OuLwFMSwKpUA0hussTHHkH6iBqLxQSh3VUBbxDm3.png" alt="image.png"></strong></p> <p>数字隔离芯片的高压侧VCC-5V经过DCDC升压隔离以后再经过LDO稳压至5V，为数字隔离芯片高压侧供电。通过实际测试发现DCDC隔离电源存在输出电压不稳定，输出电压纹波噪声过大，可能影响采样芯片与采集板主控芯片之间的通讯。因此采用先升压再利用LDO降压的方式来提高输出电源的质量。这样的方案也会使成本略有增加，使用者也可以根据自己的需求对该部分进行修改。（修改硬件即可，采集板程序与上位机无需更改）</p> <h3>*  3、描述项目硬件、软件部分涉及到的关键点</h3> <p>在项目开发过程中遇到了许多问题，小到简单硬件（体积小）的焊接工艺问题，大到涉及的硬件工作原理问题。现将开发过程中遇到的问题分享给大家，希望可以对后面的学习者有所帮助，不会再犯相同的错误。</p> <p>问题一：高压侧的7805LDO输出电压为7V左右，远高于5V。经过分析发现产生该现象的原因是二极管选型不当。由于LDO断电时输出电压有时会高于输入电压，为了保护LDO一般会在输入输出反并二极管进行电压钳位。本次设计中采用了肖基特二极管，该二极管具有压降低，开关速度快的特点，但也具有漏电流大的缺点。由于采用的LDO为SE8550，该LDO静态功耗极低，因此用于反馈的电阻阻值较大，在空载时不能泄放掉肖基特二极管的漏电流，导致输入点对输出端电容的持续充电，使输出电压高于5V。</p> <p>问题二：电池两端电压与采样芯片引脚电压不一致。经过分析发现由于芯片引脚之间形成了回路电流，该回路电流在滤波电阻上产生了压降，从而导致了电池端与芯片引脚之间的电压不一致。通过进一步的测试发现由于焊接芯片时的残留的焊锡膏具有微弱导电性，导致了引脚之间形成了回路。经过清洗后，采集电压恢复一致。</p> <p>硬件方面采样前端采用了ADI的LTC6811芯片，该芯片可以同时采集12路电压信号，采集精度高，速度快，与此同时该芯片满足ISO26262功能安全标准 。采集板的主控芯片采用了飞思卡尔16位车规级单片机，在满足性能的前提下具有很高的可靠性。通讯方面采用了CAN通讯接口，同时为了便于调试也留有了串口。该采集版还进行了高低压之间的隔离，采样前端与单片机之间采用双电源供电的数字隔离芯片，进一步提升安全性与可靠性。</p> <p>软件方面单片机的开发环境采用了恩智浦官方提供的CodeWarrior5.1开发环境，在该开发环境下进行单片机程序的开发软件开发。利用Labview软件进行上位机的开发，将采集到的电压信号直观的展现给使用者。 采集板与上位机之间得通讯采用串口通讯。采集板将12路电压信号与两路温度信号采集后发送给上位机，若采集板按固定频率将数据发送给上位机，上位机接收的数据可能不同步（上位机无法识别第一个字节）。为了解决这一问题，制定了一定的通讯协议，上位机与采集板之间采用问答的通讯模式。上位机发送给采集板规定格式的数据（共5个字节，分别是采集板地址，采样频率，命令类型及两个字节的帧尾）。采集板收到上位机命令后首先对比地址是否一致，再提取命令类型，在收到0xFAFA两个字节的帧尾后做出相应的回应。通过这一形式避免了上位机与采集板之间串口通讯之间的不同步问题。</p> <h3>*  4、项目材料清单展示</h3> <p>（1）采样板用电子元器件的BOM清单见附件；</p> <p>（2）测试用锂电池组采用十二节18650锂电池串联而成。</p> <h2>*  5、项目图片上传</h2> <h3>5.1、PCB上印制大赛logo图片，若无视为放弃参赛</h3> <p>PCB及丝印</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/0BbtXPxwMVCnTEj7EkCKuBGNI8rRwBPqIKh8pOg7.png" alt="image.png"></p> <p>采样板正面如图所示：</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/DQsfs1BdVmwPpZHhluWpAhvnxACOAnGwB4qvVXwr.png" alt="image.png"></p> <p>带有大赛LOGO的采样板背面</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/7mzny0lyAILetI7VmyxgpucV5dJAhgMfzc5fH47f.png" alt="image.png"></p> <p>测试用的串联而成的12节18650锂电池及采集板</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ZBcwgt1IiiwJVUWA5VJcxxVYWPsCfogjHvLogu6r.png" alt="image.png"></p> <p>上位机界面 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/OGlIa1CNseXFU4kjddROGCCnmtzbPVn1TpXIrGoG.png" alt="image.png"></p> <h4>5.2、项目其它图片</h4> <p>将采集板采集到的电压数据与万用表进行简单的对比，将采集板测量到的电压值与立创LCSC530+型号的直流4V电压档进行比较，结果如下表所示：</p> <table> <tr> <th>电池序号</th> <th>LCSC0+万用表测量结果/V</th> <th>采集板测量结果/V</th> <th>二者之间误差/V</th> </tr> <tr> <td>1</td> <td>3.947</td> <td>3.902</td> <td>0.044</td> </tr> <tr> <td>2</td> <td>3.944</td> <td>3.928</td> <td>0.016</td> </tr> <tr> <td>3</td> <td>3.957</td> <td>3.942</td> <td>0.015</td> </tr> <tr> <td>4</td> <td>3.729</td> <td>3.713</td> <td>0.016</td> </tr> <tr> <td>5</td> <td>3.920</td> <td>3.904</td> <td>0.016</td> </tr> <tr> <td>6</td> <td>3.941</td> <td>3.923</td> <td>0.018</td> </tr> <tr> <td>7</td> <td>3.736</td> <td>3.699</td> <td>0.037</td> </tr> <tr> <td>8</td> <td>3.821</td> <td>3.805</td> <td>0.016</td> </tr> <tr> <td>9</td> <td>3.730</td> <td>3.714</td> <td>0.016</td> </tr> <tr> <td>10</td> <td>3.744</td> <td>3.729</td> <td>0.015</td> </tr> <tr> <td>11</td> <td>3.724</td> <td>3.709</td> <td>0.015</td> </tr> <tr> <td>12</td> <td>3.703</td> <td>3.678</td> <td>0.025</td> </tr> </table> <p>采集板的电压通过7MHz标准模式采集，还可通过其他电压ADC转换方式进一步提高电压精度。通过上表可以看出二者之间的电压差值非常小，已能满足电动汽车锂电池关键技术研究所需的精度要求。</p> <h2>*   6、演示您的项目并录制成视频上传</h2> <h4>6.1、视频上传大赛官网</h4> <h4>6.2、B站视频标题和链接</h4> <p>（1）第五届立创电子设计大赛：《锂电池电压温度采集板》项目-自我介绍。</p> <p>视频链接：<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1QT4y1w7fD/" target="_blank">https://www.bilibili.com/video/BV1QT4y1w7fD/</a> 详情见视频</p> <p>（2）第五届立创电子设计大赛：《锂电池电压温度采集板》项目-项目介绍。</p> <p>视频链接：<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1da4y1L7R7/" target="_blank">https://www.bilibili.com/video/BV1da4y1L7R7/</a>详情见视频</p> <p>（3）第五届立创电子设计大赛：《锂电池电压温度采集板》项目-功能演示&性能测试。</p> <p>视频链接：<a href="https://www.bilibili.com/video/BV1fT4y1w7H2/" target="_blank">https://www.bilibili.com/video/BV1fT4y1w7H2/</a>详情见视频</p> <p>注意事项：①：视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内；②：视频上传：请同步上传至大赛官网和B站（<a href="www.bilibili.com" target="_blank">www.bilibili.com</a>），B站人气TOP10项目将获得1000-5000元现金奖励，其它上传项目获得100元立创商城无门槛券；③：视频标题：第五届立创电子设计大赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如第五届立创电子设计大赛：《自动驾驶》项目-团队介绍。</p> <h2>*  7、是否首次公开发布</h2> <h4>7.1、项目之前是否发表过或获奖，请说明</h4> <p>项目为首次参赛，之前未发表且未获奖</p> <h4>7.2、若项目是在原有基础上优化，请说明优化部分</h4> <p>项目为新开发项目。</p> <h2>*  8、开源文档</h2> <p>（1）采样板原理图</p> <p>采样板原理图见附件《锂电池电压采集板.SchDoc》，原理图利用AD15软件制作。</p> <p>（2）采样板PCB</p> <p>采样板原理图见附件《锂电池电压采集板.PcbDoc》，原理图利用AD15软件制作。</p> <p>（3）采集板程序</p> <p>采样板程序利用NXP官方开发工具CodeWarrior5.1开发环境开发，单片机型号为MC9S12G128，单片机程序见附件《采集板程序.rar》。</p> <p>（4）上位机程序</p> <p>上位机采用Labview软件开发，提供上位机的VI程序，使用者可以根据自己需求进行更改。上位机程序见附件《上位机程序.rar》。</p> <p>（5）采集板BOM表</p> <p>采集板所用到的电子元器件的BOM表见附件《元器件BOM表.xlsx》。</p> <h2>*  9、参考文献</h2> <p>点击链接了解更多详情：<a href="https://www.szlcsc.com/go/dsxq" target="_blank">https://www.szlcsc.com/go/dsxq</a></p>