引言

随着中国市场对电池需求的迅速增大，越来越多的公司加入到电池管理的开发、设计中来。飞思卡尔半导体适时推出多路电池管理芯片MM9Z1_638。本文着重介绍MM9Z1_638电池管理系统的搭建、各个模块的功能，以及所用元件的选型，希望帮助读者掌握基于MM9Z1_638的电池管理系统原理，并快速实现电池管理系统的设计。

1 MM9Z1_638特性

MM9Z1_638是一个全面集成的电池监控器件。该器件可通过一个外部分流电阻进行精确电流测量，可通过使用内部校准电阻分频器或外部分频器提供4路电压测量，其包括一个内部温度传感器，可贴紧电池并测量电池温度，外加4个外部温度传感器输入。

MM9Z1_638包括LIN 2.2协议和物理接口以及一个MSCAN协议控制器，可通过外接一个CAN接口芯片与汽车总线连接。MM9Z1_638特性如下：

◆ 宽电池电流测量，可实现片上温度测量。

◆ 采用内部电阻分频器提供4块电池电压测量，采用外部电阻分频器提供最多5个直流电压测量。

◆ 电压通道和电流通道间的测量同步。

◆ 5个外部温度传感器输入，同时为外部温度传感器供电。

◆ 低功耗模式，采用低电流工作。

◆ 多唤醒源：LIN、计时器、高压输入、外部CAN接口、电流阈值和集成。

◆ 提供高精度内部振荡器，并提供与外部晶体的连接。

◆ 支持LIN 2.2/ 2.1/ 2.0协议和物理接口。

◆ 提供MSCAN协议控制器，能够为8引脚和14引脚CAN接口供电。

◆ S12Z MCU，带有128 KB闪存、8 KB RAM、4 KB EEPROM。

2 MM9Z1_638组成的电池监控系统

单片MM9Z1_638最多可实现对4块锂电池的监控，组成的电池监控系统如图1所示。

其中，Vsup的正常工作电压为3.5～28 V。Vbat1=2.2 μF，Vbat2=100 nF。

图1 MM9Z1_638电池监控系统

2.1 电池电压的测量

通过VSENSE0～3来测量4块电池的电压，如图2所示。

其中，电池#1的电压应为VSENSE0-（VSENSEL-VSENSEH），其他电池的电压是两个VSENSE的差。各通道电压测量范围如表1所列。

图2 电池电压测量

表1 各通道电压范围

2.2 电池电流的测量

如图3所示，在电池的负端串接一个Rshunt电阻（分流电阻），通过测量Rshunt两端的电压，计算出电池的电流。Rshunt可以采用50～200 μΩ。ISENSEH/L的正常测量范围为-0.3～0.3 V。

2.3 电池温度的测量

通过NTC来测量每一块电池的温度，把NTC贴在电池的表面，每一路温度测量电路如图4所示，温度的正常测量范围（PTB0～3）为0～1 V。

在测量温度时，设置寄存器使PTB5接地。在温度变化时，NTC的电阻会改变，通过测量PTBx的电压来检测电池的温度。其中，x为0～3，元件的参数如表2所列。

图3 电池电流测量

图4 电池温度测量

2.4 电池被动均衡

当某一块电池的电压比其他电池的电压高时，需要通过放电来降低这块电池的电压，实现被动均衡。每块电池通过一个开关与放电电阻相连，实现对电池放电。开关可以采用飞思卡尔的多路开关芯片MC33879，MM9Z1_912通过SPI实现对MC33879的控制,电路如图5所示。

表2 元件参数表

图5 MC33879控制电路

图中，Cvpwr=Cvdd=100 nF, R可选用10～20 Ω，VDDX为MM9Z1_912的5 V输出，VSUP为电池组正端，PA0～PA3为MM9Z1_912的复用SPI接口。MC33879的每一路开关既可以接在电池正端，又可以接在电池负端来使用。

2.5 MM9Z1_638的CAN总线接口

MM9Z1_638支持CAN和LIN接口，LIN接口可以直接接LIN总线，CAN的接口是MSCAN，所以需要外接一个CAN接口芯片才可以接到CAN总线上。可以选用飞思卡尔的MC33901或MC34901作为CAN接口芯片，接口电路如图6所示。

图6 接口电路

图中，VDDX为从MM9Z1_638输出的5 V电源，PA4/PA5为MM9Z1_638的MSCAN输入/输出引脚，PA6为MM9Z1_638的I/O接口。MM9Z1_638可以通过PA6设置MM33901/MM34901工作在正常或待机模式，CAVL端接的是120 Ω的端接电阻，主要是用来匹配的（匹配电阻）。

3 电池监控的例程

3.1 MM9Z1_638的SPI初始化

MM9Z1_638通过16位SPI来控制开关芯片MC33879，相关的SPI配置寄存器格式如下。

SPICR1：

SPI的初始化函数如下：

void SPI_MC33879_init (){

SPICR1_LSBFE = 0 ;//高位在前

SPICR1_SSOE = 1 ;//与SPICR2的MODFEN位配合，

//使能SPI的CS信号

SPICR1_CPHA = 1 ;//与CPOL配合，实现SPI在SCLK

//的下降沿采数据，上升沿发数据

SPICR1_CPOL = 0 ;//与CPHA配合，实现SPI在SCLK

//的下降沿采数据，上升沿发数据

SPICR1_MSTR = 1 ;//SPI采用主模式

SPICR1_SPTIE = 0 ;//SPI发送中断禁止

SPICR1_SPIE = 0 ;//SPI接收中断禁止

SPICR2_XFRW = 1 ;//16位SPI格式

SPICR2_MODFEN = 1 ;//与SPICR1的SSOE位配合，

//使能SPI的CS信号

SPICR2_BIDIROE = 0 ;//与SPICR2的SPC0位配合使

//用，禁止接收/发送的缓冲

SPICR2_SPISWAI = 1 ;//在芯片等待模式下，停止SCLK

//发送

SPICR2_SPC0 = 0 ;//设置发送/接收单向模式

SPIBR = 0x02;//在MM9Z1_638总线频率为32 MHz

//的条件下，设置SPI的SCLK为4 MHz

SPICR1_SPE = 1 ;//使能SPI模块

}

16位SPI发送函数：

void SPI_send_16 (unsigned int data){

while (!SPISR_SPTEF); //判断SPI状态寄存器SPISR

//的SPTEF位，等待发送寄存器为空

SPIDR = data; //数据送给SPI数据寄存器SPIDR

}

3.2 电池被动均衡函数

通过控制开关芯片MC33879接合或断开放电电阻，实现每块电池的被动均衡。MM9Z1_638通过SPI来控制MC33879的每一路开关。可以看出，要控制开关1～4，只需要对Bit0～3进行置位（“1”，开关闭合）、复位（“0”，开关打开）的操作。

#1电池的放电函数：

void BAL_CELL1_ON (unsigned int* SPI_message){

*SPI_message = (*SPI_message & 0xFFF0) | 0x0001;

SPI_send_16(*SPI_message);

}

#2电池的放电函数：

void BAL_CELL2_ON (unsigned int* SPI_message) {

*SPI_message = (*SPI_message & 0xFFF0) | 0x0002;

SPI_send_16(*SPI_message);

}

#3电池的放电函数：

void BAL_CELL3_ON (unsigned int* SPI_message) {

*SPI_message = (*SPI_message & 0xFFF0) | 0x0004;

SPI_send_16(*SPI_message);

}

#4电池的放电函数：

void BAL_CELL4_ON (unsigned int* SPI_message){

*SPI_message = (*SPI_message & 0xFFF0) | 0x0008;

SPI_send_16(*SPI_message);

}

4 块电池全部断开放电电路的函数：

void BAL_4CELL_OFF (unsigned int* SPI_message){

*SPI_message = *SPI_message & 0xFFF0;

SPI_send_16(*SPI_message);

}

MC33879的SPI格式如下。

结语

通过介绍基于飞思卡尔电池管理芯片MM9Z1_638的硬件系统、软件模块，阐明了电池管理系统的设计流程，详细分析了开发中的技术难题和细节。对于想要开发基于MM9Z1_638的工程技术人员有直接的参考意义，同样，对于开发基于其他电池管理芯片的设计也有一定的参考价值。