基于LTC6803的單體電池電壓采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著新能源和環(huán)境污染問題在全球發(fā)展過程中被高度關(guān)注，作為清 潔 能源的動 力 電池越 來 越受到重視。鋰離子電池 以 其能 量 密 度 高、平 均輸出電 壓高、輸出功率大、循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，將成為未 來 電動汽車 動 力 電 池 的市場主力。一個(gè)有效的電池管理系統(tǒng)能對動力電池進(jìn)行保護(hù)、延長其使用壽命及提高行駛里程，是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā) 展 和 推 廣 的 一 項(xiàng) 非 常 關(guān) 鍵 的 系 統(tǒng) 工程。在串聯(lián)的動力電池組中，單體鋰電池的電池狀態(tài)，如電壓和溫度的監(jiān)測，是電池管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。單體電壓的數(shù)據(jù)最為豐富，能夠表 征電池組內(nèi)每一個(gè)單體狀態(tài)和特征的物理量，還可 以反應(yīng)電池組整體的狀態(tài)，如一致性等。此外，對單體電池進(jìn)行監(jiān)測，還能防止過沖和過放。因此，電池單體電壓采集對采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都有比較高的要求。

分別對電池的單體測量方法進(jìn)行了總結(jié)，包括電阻分 壓、光 耦 隔 離 運(yùn) 放、利用線性 光電耦合器進(jìn)行 模 擬 信號傳 導(dǎo)，以及模擬 開 關(guān) 配 合電容傳輸模擬 信 號 的方案等 方 法。此 外，市 場 上已出現(xiàn)單體電 池 測 量專用 芯片，如世界 上 著 名 的芯片廠 商 Ｌｉｎｅａｒ公 司 開 發(fā) 的 ＬＴＣ６８０３芯 片，內(nèi) 部自帶多路選通開關(guān) ＡＤＣ，可以在１３ｍｓ內(nèi)完成多達(dá)１２個(gè)串聯(lián)電池的電壓的測量，最大總測量誤差為０．２５％。

本文采用兩片 ＬＴＣ６８０３級聯(lián)方式采集２４只單體鋰離子電池電壓，單 片 機(jī) 利 用 ＳＰＩ 總 線 啟 動ＬＴＣ６８０３電壓測量并讀取電壓。

系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)組成

本文研究的串聯(lián)的鋰離子電池采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)２４只動力電池的在線單體電壓監(jiān)測。該系統(tǒng)主要包括以 ＬＴＣ６８０３為核心的單體電壓采集部分，以及以 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２為 核 心 的 ＳＰＩ通 信 和 ＣＡＮ 通 信部分，還有一些外圍電路。

ＬＴＣ６８０３是 Ｌｉｎｅａｒ公司的第二代的完整電池監(jiān)視ＩＣ，內(nèi)置一個(gè)１２位的 ＡＤＣ、一個(gè)精準(zhǔn)型電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路 復(fù) 用 器 和一 個(gè) 串 行 ＳＰＩ接口。每個(gè) ＬＴＣ６８０３能夠測量多達(dá)１２個(gè)串接電池或者超級電筒的電壓。通過一個(gè)獨(dú)特的電位移位接口可以把多個(gè) ＬＴＣ６８０３器件串聯(lián)起來，而無需光耦隔離器，以監(jiān)視長串的串聯(lián)電池中的每只單體電壓。每個(gè)電池輸入都具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的 ＭＯＳＦＥＴ 電源開關(guān)，用于過度充電的電池進(jìn)行放電。ＬＴＣ６８０３還提供了一種用于將電源電流減小至１２μＡ 的 待 機(jī)模式。ＬＴＣ６８０３ 采 用 ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒ－ｆａｃｅ）方式與外部 ＭＣＵ 通信，具有高抗 ＥＭＩ以及低功耗能力。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖１所示：

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２是 Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公 司 的 一 款４８引 腳１６位的單片機(jī)，功 能 強(qiáng)大、資源豐富。內(nèi)部有３２ＫＦｌａｓｈ，８通道的１０位 ＡＤＣ，１路ＳＰＩ模塊，１路支持ＣＡＮ２．０ Ａ 和 ＣＡＮ２．０Ｂ 的 ＣＡＮ 模 塊，６ 通 道ＰＷＭ，８通道的１６位定時(shí)器模塊，滿足本文單體電壓采集系統(tǒng)對 ＭＣＵ 的需求。

工作原理

ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２ 通 過 ＳＰＩ 總 線 來 啟 動 兩 片ＬＴＣ６８０３采集 并 讀 取 ２４ 只串聯(lián)的單體電池的電壓。采集系統(tǒng)與上級控制系統(tǒng)通過 ＣＡＮ 總 線 通信，實(shí)現(xiàn)對動力電池單體電壓的在線監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對采集系統(tǒng)的休眠與啟動控制。整個(gè)采集系統(tǒng)通過ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)對電壓的測量，ＣＡＮ信息的發(fā)送以及錯(cuò)誤的判斷等的時(shí)序控制。

電壓采集硬件電路設(shè)計(jì)

電壓采集功能是由兩片 ＬＴＣ６８０３實(shí) 現(xiàn) 的。在本文的采集系 統(tǒng) 中，未 開 啟 ＬＴＣ６８０３的 均 衡 功 能、以及 ＧＰＩＯ、ＴＥＭＰ 引腳的溫度采集功能。 兩 片ＬＴＣ６８０３可 采 用 并 聯(lián)，亦可采用菊花 鏈?zhǔn)竭B接。ＬＴＣ６８０３通 過ＩＳ０７４２１，實(shí) 現(xiàn) 電 池 與 ＭＣＵ 之 間 的電氣 隔 離；ＬＴＣ６８０３與 ＭＣ９Ｓ１２Ｃ３２通 過 ＳＰＩ方 式進(jìn)行通信。ＬＴＣ６８０３電壓采集電路如圖２所示：

當(dāng)兩片ＬＴＣ６８０３使用菊花鏈?zhǔn)酱?lián)連接時(shí)，片選端只需 ＭＣＵ 的一個(gè)ＩＯ 口即可，三個(gè)二極管需焊

接，頂 端 ＬＴＣ６８０３ 的隔離芯片可不焊，頂 端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉高，Ｖｍｏｄｅ引腳拉低，底端ＬＴＣ６８０３的 ＴＯＳ引腳拉低，Ｖｍｏｄｅ引腳拉高；當(dāng)兩片 ＬＴＣ６８０３使用并聯(lián)方式 連接時(shí)，片選端 需 ＭＣＵ兩個(gè)ＩＯ 口，兩 片 隔 離 芯 片 需 接 入，去 除 三 個(gè) 二 極管，兩片６８０３的 ＴＯＳ引 腳 均 拉 低、Ｖｍｏｄｅ引 腳 均拉高。

由于 ＬＴＣ６８３具有內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ轉(zhuǎn)換器，抗 ＥＭＩ的能力 也 較 高，故無需使用其他的信號調(diào)理電路。由于本文中的電池管理系統(tǒng)暫時(shí)還未具有充電均衡管理功能，故將６８０３的均衡引腳做懸空處理，不使用其放電控制功能。