基于LTC6803多節(jié)動(dòng)力電池的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　針對(duì)動(dòng)力電池工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)，保護(hù)其安全性和使用壽命的問(wèn)題，提出基于電池管理芯片 LTC6803 設(shè)計(jì)一套電池管理系統(tǒng)，利用 LTC6803 和 STC12C54 單片機(jī)組成主要的硬件控制電路，通過(guò)單片機(jī)控制 LTC6803，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池單體電壓、總電壓等參數(shù)的檢測(cè)，并通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)保存，編寫(xiě)相應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)動(dòng)力電池狀態(tài)的精確檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)測(cè)量總誤差小于 0. 25% ，為電池管理的均衡控制、SOC 的估計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　針對(duì)動(dòng)力電池工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)，保護(hù)其安全性和使用壽命的問(wèn)題，提出基于電池管理芯片 LTC6803 設(shè)計(jì)一套電池管理系統(tǒng)，利用 LTC6803 和 STC12C54 單片機(jī)組成主要的硬件控制電路，通過(guò)單片機(jī)控制 LTC6803，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池單體電壓、總電壓等參數(shù)的檢測(cè)，并通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)保存，編寫(xiě)相應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)動(dòng)力電池狀態(tài)的精確檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)測(cè)量總誤差小于 0. 25% ，為電池管理的均衡控制、SOC 的估計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　針對(duì)要實(shí)現(xiàn)的電池管理的功能和傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，本系統(tǒng)采用專用的電池管理芯片 LTC6803組成電池管理系統(tǒng)，給出了整個(gè)的電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了各個(gè)功能單元的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對(duì) LTC6803 本地控制單元中電池單體電壓檢測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、誤差小、可擴(kuò)展性好、傳輸速度快等特點(diǎn)

　　系統(tǒng)工作原理分析

　　針對(duì)電池檢測(cè)的功能要求，本系統(tǒng)利用電池管理芯片 LTC6803 對(duì)電池組工作的電壓、總電壓等物理參數(shù)檢測(cè)，LTC6803 是具有 12 位 ADC、精準(zhǔn)電壓源、一個(gè)高壓輸入多路復(fù)用電路和串行接口，內(nèi)部集成電池均衡控制，為電動(dòng)汽車提供SOC 的估計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)，系統(tǒng)的原理圖如圖 1 所示。

　　本檢測(cè)系統(tǒng)主要包括供電電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、串口通信模塊、無(wú)源電池平衡電路模塊、電池電壓濾波模塊、校準(zhǔn)和完整電池組測(cè)量電路模塊、電池組電源去耦模塊、隔離式電源供電模塊、OLED 液晶顯示模塊。

　　系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

　　電壓采集和均衡控制電路設(shè)計(jì)

　　動(dòng)力 電 池 通 過(guò) 電 阻 和 電 感 組 成 的 電 路 和LTC6803 的引腳 Cn 相連，在通過(guò) LTC6803 內(nèi)部集成的高精度的 AD 對(duì)電池電壓實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，達(dá)到對(duì)電池電壓監(jiān)控的目的，通過(guò)單體電池可以得到總的電池電壓。均衡控制電路的目的是防止單體電池電壓 偏 差 較 大，影響電池的使用壽命。利 用LTC6803 組成的均衡控制電路以兩節(jié)電池為例（ 如圖 2 所示） ，LTC6803 的 S 輸出端通過(guò)電阻和MOS 管相連，LTC6803 通過(guò)電池電壓檢測(cè)電路獲得電池的電壓。當(dāng)電池電壓偏差較大時(shí)，LTC6803通過(guò)控制 S 端的開(kāi)斷來(lái)控制 MOS 的導(dǎo)通，對(duì)電壓較高的電池進(jìn)行放電，直到電壓在允許的范圍，達(dá)到均衡的目的

　　單片機(jī)控制模塊

　　本系統(tǒng)采用 STC12C54 作為系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)、通訊、信號(hào)處理等工作，本系統(tǒng)的原理圖如圖 3 所示。為了通信的準(zhǔn)確和安全性，LTC6803 的 SPI 接口通過(guò)隔離 SPI 和單片機(jī)連接，單片機(jī)和 LTC6803 按照 SPI 時(shí)序進(jìn)行通信，單片機(jī)通過(guò)控制 LTC6803 的寄存器，獲得動(dòng)力電池參數(shù)，并顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。

　　LTC6803 電池電壓測(cè)量的操作

　　本系統(tǒng)電池電壓測(cè)量最 核心的工作是對(duì)LTC6803 進(jìn)行操作，因此需要對(duì) LTC6803 的寄存器進(jìn)行配置，對(duì)LTC6803 寄存器進(jìn)行操作時(shí)，首先要寫(xiě)配置寄存器然后讀配置寄存器

　　讀取電池電壓信號(hào)首先需要進(jìn)行初始化設(shè)置，在 LTC6803 的 SPI 工作在 CPHA = 1 和 CPOL = 1的模式下，初始化單片機(jī) SPI、初始化 LTC6803。SPI 需要定義引腳功能、數(shù)據(jù)傳輸格式、傳輸頻率等。LTC6803 初始化主要判斷寫(xiě)配置寄存器是否成功。如圖 4 所示，單片機(jī)發(fā)送 WＲCFG 命令和命令 PEC 值，LTC6803 接受到命令，接著單片機(jī)發(fā)送 CFG 寄存器數(shù)組、要進(jìn)行 ＲDCFG 讀寄存器命令，LTC6803 發(fā)送給單片機(jī) CFG 數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)判斷通信是否成功。CFG 寄存器主要設(shè)置電池電壓測(cè)量時(shí)間、過(guò)充和過(guò)放壓、看門狗定時(shí)器、內(nèi)部均衡控制等。

　　設(shè)置寄存器之后進(jìn)行讀電池電壓操作，如圖 5所示，對(duì)建立通信的 LTC6803 讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)發(fā)送 LTC6803 的地址及其 PEC，發(fā)送 STCVAD 命令及其 PEC，啟動(dòng)電池電壓 ADC 轉(zhuǎn)換，接著單片機(jī)再次發(fā)送 LTC6803 的地址及其 PEC，發(fā)送 ＲDCV 讀電壓命令，判斷電壓數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和處理，最后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電壓值。這里需要注意的是每次發(fā)送命令前都要先發(fā)送 LTC6803 的地址和 PEC，否則無(wú)法進(jìn)行通信

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù) 以 上 的 分 析，的主程序應(yīng)該首先完成SPI、OLED 液晶、串口通信、LTC6803 等的初始化，然后一直在一個(gè)死循環(huán)里做檢測(cè)電池組各個(gè)電池的電壓的操作再把信息處理送給液晶顯示，同時(shí)上傳到上位機(jī)。主程序流程圖如圖 6 所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果用本文提出的信號(hào)采集技術(shù)采集串聯(lián)成組的12 節(jié) 3. 7V 100 A·h 鋰電池的電壓信號(hào)，與美國(guó)凌力 爾 特 （ Linear） 公司的測(cè)量誤差小于 ±0. 0035% 的 DC1653A 評(píng) 估 板 及 連 接 板 DC590B，電壓測(cè)量在使用 LTC6803 讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)如表 1 所示。第一組和第二組的所有數(shù)據(jù)均 是 在 基 準(zhǔn) 電 壓 均 是 在 溫 度的基準(zhǔn)電壓為2. 3430V 下得來(lái)的。

　　由表 1 數(shù)據(jù)分析可知，LTC6803 的測(cè)量精度較高，能夠滿足動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的測(cè)量要求。

　　為了對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)了基于凌力爾特 （ Linear） 公司專用電池管理芯片 LTC6803 的多節(jié)動(dòng)力電池的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的功能要求和 LTC6803 芯片的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)了具有單芯片解決方案、布線少、性能穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并針對(duì) LTC6803 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，測(cè)試結(jié)果表明：

　?。?1） 利用 LTC6803 組成的電池管理系統(tǒng)，減少了大量電池的布線問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和簡(jiǎn)潔，使整個(gè)系統(tǒng)具有開(kāi)放性和擴(kuò)展性。

　?。?2） 通過(guò)對(duì) LTC6803 的測(cè)量結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，單元電壓誤差率和溫度誤差 （ 包括測(cè)量誤差、切換誤差和器件誤差） 分別低于 ± 0. 2% 且測(cè)量的總誤差也低于 0. 25% 。由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，本文提出的信號(hào)采集技術(shù)誤差能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

　　本系統(tǒng)在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，下一步可以進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的精度，并設(shè)計(jì)上位機(jī)專用的軟件系統(tǒng)，并可以加上 4G 通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離測(cè)控，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。