ST新能源汽车BMS解决方案__L9963调试笔记

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ST新能源汽车BMS解决方案__L9963调试笔记 [复制链接]

意法半导体L9963E是一款锂离子电池监测和保护芯片，适用于高可靠性汽车应用和储能系统。最多可监控14个堆叠电池单体，以满足48V及更高电压系统的要求。芯片对每个电池的电压测量精度高，同时集成库仑计监控总电流。该设备最多可以监控7个NTC。信息通过SPI通信或隔离接口传输。

 

多个L9963E以菊花链形式连接，通过变压器隔离接口与主处理器通信，具有高速、低电磁干扰、远距离、可靠的数据传输特点。

 

在正常和低功耗模式下(静音均衡)都提供了带有可编程通道选择的被动均衡。均衡可以根据内部定时器中断自动终止。9个GPIO集成用于外部监测和控制。L9963E具有全面的故障检测和通知功能，以满足安全标准要求。

 

L9963E 应用市场

 

• 汽车BMS系统(48V和高压电池组)

• 备份储能系统和UPS

• 电动自行车，e-scooters

• 便携式和半便携式设备

 

L9963E 特性

 

• 符合AEC-Q100标准

• 测量4至14节串联电池，样件之间的解同步延迟为0us还可支持母线连接，且无需改变电池结果

• 库仑计在点火开和关的状态下均支持电池组过流检测，完全同步的电流和电压采样

• 16位电压ADC，焊接后，在 [-40°C至+105°C] 的Tj范围中、[0.5V至4.3V] 范围内的最大误差为±2Mv

• 再生缓冲器的2.66Mbps隔离式串行通信，支持双接入环链路中第1个和第31个器件转换开始之间的延迟短于4µs。

○ 不到4ms即可在使用8个L9963E和L9963T收发器的系统中转换和读取96节电池；

○ 不到8ms即可在使用15个L9963E和L9963T收发器的系统中转换和读取210节电池；

○ 不到16ms即可在使用31个L9963E和L9963T收发器的系统中转换和读取434节电池；

○ 支持基于XFMR和CAP的隔离。

• 在正常和静音均衡模式下，每节电池的无源内部平衡电流为200mA可执行周期性唤醒测量同时在多个通道上进行手动/定时平衡；内部/外部平衡

• 完全冗余的电池测量路径，带有ADC交换功能，可增强安全性和跛行模式功能

• 智能诊断程序可提供自动故障验证。通过SPI全局状态字 (GSW) 和专用故障线进行冗余故障通知

• 两个5V稳压器，支持25mA (VCOM) 和50mA (VTREF) 电流能力的外部负载连接

• 9个GPIO，最多带7个用于NTC检测的模拟输入

• 可靠的热插拔性能，每节电池不需要并联齐纳二极管

• 完全符合ISO26262标准，支持ASIL-D系统

 

L9963E 应用示意

       

 

 

         

为方便用户快速入门和开发，ST提供丰富的软硬件技术支持：

1. 评估演示板、GUI及原理图。

2. 参考源代码和设计文档。

3. 基于SPC5 studio环境开发的可配置的Low level drivers。

4. SPC5 studio开发环境。         

    

 

 

Master评估演示板

 

 

 

 

GUI评估工具和Slave评估演示板

         

L9963E 应用调试

 

本次调试主要基于Master评估演示板，实现成功配置一台L9963E设备ID，以及读取电池电压，具体形式如下图。

 

 

Master评估演示板示意图

 

L9963T是通用SPI到隔离SPI收发器，用于在不同电压区域的器件之间建立通信桥。收发器支持变压器和电容隔离，因为根据专有协议产生的隔离信号可通过两个去耦电路进行传输。设备可配置为SPI总线的从设备或主设备，并支持由8到64位长的SPI帧组成的任何协议。收发器管理信息传输，而不执行任何协议检查。

         

1. 基于GUI评估板调试

 

a) 配置ID1

 

 

 

b) 读取cell电压值

 

 

 

         

2. 基于SPC5 Studio开发环境编调试

 

SPC5 Studio是ST提供的用于SPC5系列车规级MCU做嵌入式应用开发的集成开发环境，其基于Eclipse PDE开发，支持灵活的用户自定义组件和丰富的第三方插件。

 

 

  

系统重新上电后，L9963E在初始化状态，并且ID为0，可以配置ID(1,2,3,…,31)，一旦ID配置后，无法再配置其他ID。简易配置ID程序流程图如下：

 

 

配置ID流程图

 

Demo例程：

 

 

 

验证结果：

 

设置ID1成功，读取到Cell1和Cell14电压值（未转换）。

 

 

 

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下图是典型的L9963x电池管理系统实例。主处理器通过SPI通信方式连接L9963T，多个L9963E以菊花链方式连接，通过变压器隔离接口与主处理器通信，具有高速、低电磁干扰、远距离、可靠的数据传输特点。

 

 

 

基于L9963x的高压蓄电池管理系统应用实例

 

上面提到在 L9963E重新上电后，在初始化状态，并且ID为0。在初始化状态下，只可以配置DEV_GEN_CFG寄存器 中的chip_ID，isotx_en_h和iso_freq_sel三个值（原文）：

 

 

 

 

• chip_ID：L9963E芯片ID(1,2,3,…,31)，配置后，无法更改其他ID

• isotx_en_h：菊花链高侧口，写1使能后，可以将数据透传出去

• iso_freq_sel：数据传输速度，写1配置成高速，通讯速度可达2.66Mbps；写0配置成低速模式，通讯速度333 kbps

         

L9963T芯片也分为高速模式和低速模式两种，通过ISOFREQ管脚高低状态切换。ISOFREQ拉高后，L9963T发送的第一帧还是低速帧，从第二帧开始是才是高速帧。也可以在ISOFREQ拉高后，重新拉低再拉高下DIS管脚（L9963T休眠唤醒一下），这样操作后发送的第一帧就是高速帧。

 

需要注意的是L9963E和L9963T高低速模式需要一致。为了避免在比特率/幅度切换时丢失帧，必须遵循以下原则（原文）:

 

 

         

虽然初始化状态，可以配置DEV_GEN_CFG寄存器 中的chip_ID，isotx_en_h和iso_freq_sel，但是强烈建议检查代码中，是否有未配置ID的情况下，先配置了isotx_en_h和iso_freq_sel，这样也会导致配置ID失败从而造成通讯异常原文：      

 

 

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会导致配置ID失败从而造成通讯异常原文：      

 

 

         

 系统重新上电后，L9963x初始化如下图，配置最后一片L9963E后，开始去读电池电压电流值。

 

 

L9963x初始化框图

         

但是，在工况复杂的环境中，汽车BMS线束由于受到震动，有可能会导致L9963E芯片的供电断开，导致整个系统中某个L9963E芯片重新处于初始化状态，比如用4片L9963E为例，当整个系统初始化完毕后，状态如下所示，1#~4#的DEV_GEN_CFG中的寄存器值。         

 

 

 

若此时受到震动，3#掉电又重新恢复后，状态如下：

 

 

 

由于3#的ID为0，此时MCU和3#通讯不上，需要重新初始化这片L9963E。3#在低速模式，需要把1#和2#也切换成低速模式，不然3#也无法收到命令配置。最简单的方式是MCU不发送任何消息，等待通讯超时时间CommTimeout，这样可以使得整个系统进入休眠状态，这样有ID的L9963E被唤醒后是低速模式，省去了切换速度的麻烦。

         

另外，有些场景也是提出要保证配置的ID和实际的L9963E物理顺序要保持一致。比如当3#的L9963E断电恢复后，MCU在配置ID3时候，2#设备又出现断电上电，这时有可能把2#的L9963E设置成ID3，3#的L9963E设置成ID2，导致实际ID号与物理顺序不一致情况。

 

这样建议整个系统做逐次配置ID流程，比如需要4个L9963E：

  

1. 所有L9963E进入低速模式（重新上电/休眠唤醒等）；

2. 读取ID1，未读到，配置1#的L9963E为ID1，读取ID1（未成功，配置读取ID1过程循环 3次），如果失败重新开始；

3. 读取ID1，已读到，读取ID2，未读到，配置2#的L9963E为ID2，读取ID2（未成功，配置读取ID2过程循环 3次），如果失败重新开始；

4. 读取ID1，已读到，读取ID2，已读到，读取ID3，未读到，配置3#的L9963E为ID3，读取ID3（未成功，配置读取ID3过程循环 3次），如果失败重新开始；

5. ……依次如此；

6. 所有L9963E都有ID后，将最后一片的L9963E高侧口关闭，广播切成高速模式；

7. 开始读取转换电压电流值。

 

这样操作可以极大避免了ID号配置与物理顺序不符合的情况。

         

最后，附上推荐逻辑框图（可以根据实际情况完善）。