基于LTC6803和NRF24L01的動力電池檢測系統(tǒng) - 全文

近年來興起的鋰離子電池性能優(yōu)良，適用范圍廣，具有良好的應(yīng)用前景。但由于成本以及壽命等問題，使得鋰離子電池的監(jiān)控和管理顯得尤為重要。一套合理的電池管理系統(tǒng)是減少電池成本、提升電能儲存裝置整體競爭力的關(guān)鍵因素。一般而言，電池管理系統(tǒng)需要實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測電池組工作狀態(tài)和估算電池組SOC的功能。以上兩點都離不開對電池單體電壓的實時監(jiān)測。目前鋰離子電池電壓檢測主要有門電路法和專用芯片采集法。

門電路法測電壓的塬理是應(yīng)用門電路開關(guān)切換電壓通道，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換將電池電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并由主控器進行處理。這種方法硬件成本通常較高，控制邏輯復(fù)雜，測量時間受門電路開關(guān)響應(yīng)時間限制。近年來LIneAr等公司相繼推出了用于電池組電池測量的專用芯片，使得工程上對電池組電壓的測量有了新的思路。

LTC6803介紹

LTC6803是第二代的完整電池監(jiān)視IC，內(nèi)置一個12位ADC、一個精準型電壓基準、一個高電壓輸入多路復(fù)用器和一個串行接口。每個LTC6803能夠測量多達12個串接電池或超級電容器的電壓。通過運用一個獨特的電平移位串行接口，可以把多個LTC6803-1/LTC6803-3器件串聯(lián)起來（無需使用光耦合器或光隔離器），以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓。每個電池輸入具有一個相關(guān)聯(lián)的MOSFET電源開關(guān)，用于對過度充電的電池進行放電。LTC6803-1在內(nèi)部將電池組的底端與V―相連。該器件的引腳與LTC6802-1兼容，從而提供了一款直接替代型的升級方案。LTC6803-3則把電池組的底端與V―分開，故而改善了第一節(jié)電池（cell1）的測量準確度。

LTC6803提供了一種用于將電源電流減小至12μA的待機模式。此外，LTC6803還可從一個隔離型電源來供電，因而提供了一種將電池組吸收電流減小至零的方法。

LTC6803特點

可測量多達12個串聯(lián)電池的電壓

可堆疊式架構(gòu)

可支持多種電池化學(xué)組成和超級電容器

至相鄰器件的串行接口菊式鏈接

0.25%的最大總測量誤差

專門針對符合ISO26262標準的系統(tǒng)進行設(shè)計

可在13ms完成一個系統(tǒng)中所有電池的測量

NRF24L01介紹

NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。

NRF24L01特點

小體積，QFN204x4mm封裝

寬電壓工作范圍，1.9V~3.6V，輸入引腳可承受5V電壓輸入

工作溫度范圍，-40℃~+80℃

工作頻率范圍，2.400GHz~2.525GHz

發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm

數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps

低功耗設(shè)計，接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA

126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道，滿足多點通訊和調(diào)頻需要

增強型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗和點對多點的地址控制

數(shù)據(jù)包每次可傳輸1~32Byte的數(shù)據(jù)

4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單

可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度

MCU可通過IRQ引腳塊判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要介紹3片LTC803-4并聯(lián)級聯(lián)實現(xiàn)28節(jié)電池的測量方法。由于單片LTC6803－4測量電池堆電壓不得低于10V，故將28支電池單體分為3組，由3片LTC6803－4（1＃LTC6803－4、2＃LTC6803－4、3＃LTC6803－4）分別測量并上傳數(shù)據(jù)。如下圖所示，第一組為1?！?2＃電池單體，第二組為13?！?0＃電池單體，第叁組為21＃～28＃電池單體。

系統(tǒng)電路硬件

主控器采用的是飛思卡爾公司的雙核16位芯片

MC9S12XEP100，該芯片擁有16位雙核處理單元。32Kb容量的D－Flash存儲器。兩個16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊、5路MSCAN、3路串行外設(shè)接口（API）以及152

個可配置通用I／O引腳。主控器需要處理的數(shù)據(jù)繁多，充分利用其雙核功能可以保證系統(tǒng)工作的實時性。主控器在采集到所有的電壓數(shù)據(jù)后，通過CAN總線接口與外部進行通信上傳數(shù)據(jù)，同時接收來自外部的信息。協(xié)處理器在本系統(tǒng)中用來處理接收自外部的CAN總線信息，大大節(jié)省了CPU的資源。

此外，通信隔離芯片ADｕM1401需要的驅(qū)動電流高于LTC6803－4的Vreg引腳所能提供的4MA，故需要外加電源驅(qū)動；此外，此驅(qū)動電源需要與當(dāng)前LTC6803－4的V－（亦即其所相連的電池）共地，所以驅(qū)動電源需要選擇完全隔離的形式。

理論上，28支電池首尾相接串聯(lián)而引出的29根電壓檢測線按芯片上的接口順序依次連接即可，但考慮到LTC6803－4的并聯(lián)式級聯(lián)以及2＃LTC6803－4和3＃LTC6803－4各只負責(zé)8支電池的監(jiān)測這一特殊情況，級聯(lián)LTC6803－4與單片LTC803-4在應(yīng)用電路上有所區(qū)別。以2＃LTC6803－4的連接為例，2＃LTC6803－4監(jiān)測13?！?0＃，此8支電池的電壓，同時需要此8支電池為2＃LTC6803－4供電。下圖所示為2＃LTC6803－4底端與頂端的電路接法。

2#LTC6803-4底端連接

2#LTC6803-4頂端連接

系統(tǒng)軟件配置

本文所述3個芯片通過0Ω電阻分別將地址配置為0001、0002和0003，則1＃LTC6803－4芯片地址為0b10000001，2＃LTC6803－4芯片地址0b10000002，3＃LTC6803－4芯片地址為0b10000003。讀取一片LTC6803－4的軟件流程如圖6所示。3片LTC803-4并聯(lián)式級聯(lián)后，主控器只需輪詢不同地址的芯片，并接收數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)所有28支電池單體的電壓監(jiān)測。