基于I2C 總線的電池管理系統通信方法

王壯鵬，肖兵，劉落實，歐奔

1. 華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510641

2. 廣州智維電子科技有限公司，廣東 廣州 510006

I2C 通信的設計初衷是解決一塊電路板上不同芯片的數據交換問題。然而在電池管理系統中，動力電池包通常由一定數量的電池串聯與并聯而成。例如540 V 電壓的電池包可能由幾十節電池組串聯而成。所以，管理不同電池組的模擬前端芯片（analog front end，AFE）具有不同的參考“地”電壓[1]。為了解決這個問題，通常采用光耦、變壓器或者數字隔離器的方式來解決。這些方法存在3 點不足之處：1)光耦只能通過二極管單向傳輸信號，其傳輸速度慢，且易老化；2) 變壓器無法實現微小化，存在電磁泄漏；3)每個接口都需要數字隔離器，其花費高，無擴展性。

市面上不乏使用其他隔離技術的芯片和儀器。例如，低功耗雙向I2C 隔離芯片——ISO1540和二位雙向I2C 電平轉換器——PCA9306。ISO 1540 芯片內部有2 條隔離式雙向通道，分別應用于時鐘線和數據線，每條信號線通過單通道數字隔離器進行隔離，可實現I2C 總線上的電平位移。但由于每個芯片都需要獨立電源或穩壓芯片提供工作電壓，所以使用該芯片的隔離電路較復雜，且成本高昂。PCA9306 器件具備2 組連接I2C 總線的漏極開路端口，轉換器打開時，可實現端口間的雙向數據交互。但該器件的2 個轉換端口需共用同一個參考“地”，所以該器件并不適用于電池管理系統；但其電平遷移的思路具有啟發意義。

本設計為一種電平遷移的通信方法，減少了ISO1540 隔離芯片和獨立電源的使用，使電路更加簡單實用；同時也克服了PCA9306 器件的2 個轉換端口需要使用同一接地端的局限性，建立了主控制器和不同參考電位的模擬前端芯片之間的通信。

1 I2C 電平遷移電路設計方法

有別于普通I2C 并聯通信方式，本設計使用若干場效應管及電阻搭建起電平遷移模塊；再將該模塊連接到相鄰AFE 的時鐘線（supply chain logistics，SCL）和雙向數據線（serialdata，SDA）上，并采用芯片間雙線級聯的方式，實現不同參考電平的AFE 之間的雙向通信；最后根據I2C 多主機工作模式原理，定義通信數據包，開發相應的程序。總體通信思想如圖1 所示。

圖1 電池管理系統結構示意

電路設計的核心是電平遷移模塊。該模塊由2 個N 溝道場效應管（field effect transistor，FET）、1 個P 溝道FET 和4 個電阻連接而成。在低電平芯片向高電平芯片通信的過程中，Q1、R1、R2 起著重要作用。Q1 柵極接Vcc1，低電平芯片的信號由Q1 的源極輸入，漏極輸出，信號經過電阻R1 被高電平芯片接收。通過調節R1 和R2 阻值的比例，使高電平芯片的接收端口處于合適的工作電平。

為了實現高電平芯片向低電平芯片的通信，首先需要一個N 溝道FET 和一個P 溝道FET 以及電阻R3、R4 來限制電流。然后將高電平芯片的輸出端口與Q2 的柵極相連，信號從Q2 的柵極輸入，漏極輸出，流入Q3 的柵極，再從Q3 的漏極輸出給低電平芯片的接收端。最后連接Q2 源極與Vcc2，Q3 源極與低電平芯片的“地”，實現電平遷移模塊的雙向通信。

電平遷移模塊原理圖如圖2 所示。

I2C 總線在半雙工模式下可實現多主機級聯的交互通信。該總線有SDA 和SCL 兩條線路通過限流電阻接到電源電壓。2 條總線接地視為邏輯0，接高電平視為邏輯1，連接在總線上的各個器件以此為標準進行通信[2]。I2C 總線級聯式結構如圖3 所示。

圖3 I2C 級聯通信示意

將每組電池包（4 節1 組）即其對應的AFE 用若干組I2C 總線SDA、SCL 和電平遷移模塊按圖4的形式連接起來，得到完整的通信系統電路連接圖。

在電池管理系統中，可供選擇的AFE 種類較多，本設計采用ATmega32HVB 單片機作為AFE。該芯片具有雙線串行接口（two-wire serial interface,TWI），可以接收和發送信息，支持多主機通信[3]。在同一組總線上，最多可以連接128 個該芯片，具有良好的擴展性。TWI 硬件規范與I2C 相同，但有別于普通I2C 通信僅能采用“主-從”通信模式，TWI 支持多主通信，而多主通信比主從方式更適合電池管理系統的應用需求[4]。

該系統的通信過程可分為無沖突通信和有沖突通信[5]。正常狀態下，總線上的每個控制芯片會按照周期次序，輪流向主控制器發送電池狀態信息。例如第3 號芯片先向空閑總線發送數據包（“開始”指令、數據接收地址與讀寫控制符、第3 個電池組的狀態信息、“停止”指令），然后2 號芯片通過總線接收到此信息，再將該信息通過總線發送給1 號芯片，最后傳遞給主控制器。這種通信方式為無沖突通信。

圖4 通信系統I2C 電路連接

若在第3 號芯片向總線發送狀態信息的同時，第5 號芯片向主控制器發出的故障信息已傳遞到與3 號芯片相連的SDA6 線上，此時需要I2C 總線對這2 種信息進行仲裁[6]，優先級更高的故障信息會贏得仲裁并占領總線。當3 號芯片監聽到SDA6 線上的信息與發送信息不一致時，會停止發送狀態信息，轉而接收SDA6 線上的故障信息并將其發送到SDA5 線上；隨后故障信息經過電平遷移電路傳遞到SDA4 線上，并被2 號芯片接收；2 號芯片再將接收到的故障信息發送到SDA3 線上，故障信息經過電平遷移電路到達SDA2 線上后，被1 號芯片接收；最后1 號芯片重復2 號芯片的操作，將故障信息傳遞給主控制器。這種通信方式為有沖突通信[7]。

該設計有2 大優點：1)最小電路模塊僅采用3 個SO223 封裝的小場效應管及若干電阻，其成本比帶有隔離集成芯片的電路的成本低很多。減少隔離芯片的使用，不僅能降低系統成本，而且能簡化電路設計。2) 該系統采用的TWI 雙線級聯式結構支持多主通信。當有任意電池組出現故障時，主控制器能很快接收到故障模塊發出的報錯信息。多主工作模式相比于需要主機一直查詢從機狀態的主從模式電路延遲更低，更加高效[8]。

2 實驗結果

完成通信部分的設計后，需要最后對系統進行調試，并分析調試結果。本設計通過間接調試電池監測芯片的監測功能，分析監測芯片的輸入輸出數據，來評估通信系統的性能。

整體測試平臺的具體示意圖如圖5 所示，分為上位機、連接器、下位機3 層。上位機是普通PC，運行MATLAB、自動代碼生成器、CAN 通信程序；連接器為JTAG 仿真器和USB-CAN 分析儀，分別負責程序下載和上、下位機的通信；下位機硬件為電池管理系統，該系統搭載本文設計的通信方法，運行著底層驅動、基礎功能代碼、類BASIC 解釋器等模塊。

圖5 測試系統示意

主控制器F28M35 與電池管理芯片ATmega32-HVB 的通信通過TWI 實現[9]。首先完成ATmega32-HVB 相關的調用接口，然后在F28M35 上編寫調用程序，實現對ATmega32HVB 的數據讀寫。整體實物圖如圖6 所示。

圖6 測試系統實物圖

打開開關，使用示波器對I2C 總線波形進行觀測，可以看到電平遷移電路的輸入與輸出端電壓波形相同，幅值不同，如圖7 所示。

在圖7(a)中，圖像所示波形為電池監控芯片2 中的總線波形（量程10 V/格）。因為當總線為“1”時，可以看到總線對地電壓為20 V；而電池監控芯片2 的對地參考電壓為16 V。我們測出當總線為“0”時，總線對地電壓為16 V。在圖7(b)中，圖像所示波形為電池監控芯片1 中的總線波形（量程2 V/格）。測量總線電壓結果為：總線為“1”時，對地電壓為4.5 V；總線為“0”時，對地電壓為0 V。以上結果符合I2C 總線標準，滿足系統正常通信的必要條件[10]。為充分驗證系統是否正常工作，還需重點檢測系統接收的電池狀態是否與實際相符[11]。

圖7 I2C 總線輸入輸出電壓波形

先通過主控制器在CCS 開發環境中設置斷點，通過監視窗口來觀察采集到的電池狀態信息，具體數據如圖8 所示。然后使用CAN 數據監控軟件記錄電池電壓信息，具體數據如圖9 所示。

圖8 主控制器電壓信息采集

圖9 數據可視化監控程序界面

將1 號和2 號模擬前端芯片的電壓采集值讀出并轉換，然后和萬用表測出的電壓值以及監控數據進行對比，對比結果如表1 所示。

表1 檢測數據可信度對比

本實驗只對其中2 個芯片分別串聯了4 節電池，因此部分檢測數據顯示為0。觀察結果可知，主控制器采集結果和監控軟件的顯示結果是相同的，且與萬用表的結果相比，誤差也較小（±0.05 V以內），該結果間接證明了通信功能的正確性與穩定性。

I2C 通信協議有著占用資源少、易用靈活等特點，所以該通信方式受到了十分廣泛應用[12]。本設計就是采用這種通信方式實現了主控制器和6 個電池監測芯片之間的通信。通過測量芯片輸入輸出口的對地電壓，發現實驗結果符合預期。同時該通信系統有較好的可拓展性，可滿足更多芯片間的通信。

3 結論

1)本文首先設計了一種使用場效應管等電子元件搭建的最小電平遷移電路模塊，然后用多組該模塊與ATmega32HVB 芯片以I2C 總線級聯的方式進行連接，搭建出完整的電平遷移電路。

2)該電路不僅能解決電池管理系統中，模擬前端芯片（AFE）之間的通信問題，而且具有電路簡單、成本低廉等優點。通過實驗測試，其結果表明主控制器可實時監控電池組電壓，電壓監測結果與實際測量值相符，電路工作正常，與預期效果相符。