基于LTC6802 的電池組監(jiān)控平臺(tái)的電路設(shè)計(jì)

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車(EV/HEV)已經(jīng)成為了當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)。蓄電池是EV的動(dòng)力環(huán)節(jié)，但其單體端電壓及容量都較小，比如廣泛應(yīng)用的磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池端電壓一般不超過(guò)3.65 V,因此常需多單體串并聯(lián)組合使用來(lái)滿足車輛的需求[1-3].對(duì)于車載電池包而言，一個(gè)功能完備的監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)的電池組監(jiān)控設(shè)備存在兩大問(wèn)題：一是電池電壓檢測(cè)精度不高，二是電池組均衡控制的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。針對(duì)這些問(wèn)題，本文應(yīng)用Linear Technology 公司新推出的電池組監(jiān)控芯片LTC6802,設(shè)計(jì)了一套面向鋰離子電池組的硬件監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能包括單體電壓/ 溫度檢測(cè)、電池組均衡以及分布式CAN 通信等。

1 電池組監(jiān)控芯片LTC6802 簡(jiǎn)介

LTC6802-1 是一款專門用于電池組監(jiān)控的芯片，每片可以檢測(cè)多達(dá)12 個(gè)串聯(lián)連接的單體電池電壓，輸入總電壓高達(dá)60V,可以通過(guò)分布式總線結(jié)構(gòu)或直接將芯片串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更多串聯(lián)單體電池的電壓檢測(cè)。此外，LTC6802-1 還具有以下特性：

(1)具有12 位ADC,電壓采集精度高，可達(dá)5~8 mV;(2)具有被動(dòng)均衡功能，可通過(guò)片內(nèi)(或外部擴(kuò)展的)MOSFET開關(guān)對(duì)過(guò)壓的單體進(jìn)行放電;(3)1 MHz 可與SPI 兼容的串行通信接口;(4)具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

總的來(lái)看，LTC6802 具有較全面的電池組監(jiān)控功能，芯片集成度高，并具有較高的電壓采集精度，主要應(yīng)用場(chǎng)合除了EV/HEV 以外，還包括高功率便攜設(shè)備電源管理以及備用電池組系統(tǒng)的監(jiān)控。

2 電池組監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電池監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電池組監(jiān)控平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本平臺(tái)設(shè)計(jì)采用分布式CAN 總線結(jié)構(gòu)，首先，LTC6802 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電壓的采集以及串聯(lián)電池組的被動(dòng)均衡控制;主控芯片負(fù)責(zé)接收來(lái)自LTC6802 的電壓采集信息，并對(duì)LTC6802 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，此外MCU 還用于實(shí)現(xiàn)電池包節(jié)點(diǎn)溫度以及電流的采集;最后MCU 將電池包的組態(tài)信息發(fā)送到CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電池組監(jiān)控平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

2.2 LTC6802 與MCU 的連接電路設(shè)計(jì)

LTC6802 的外圍電路及其與微控制器之間的連接電路如圖2 所示。本電路中MCU 選取的是Freescale 系列單片機(jī)MC9S08DZ60,其主要功能是進(jìn)行電流和溫度采集、接收來(lái)自LTC6802 的信息并將電池包組態(tài)信息發(fā)送到分布式CAN 通信網(wǎng)絡(luò)中。

圖2 LTC6802 與MCU 的連接電路

LTC6802 可通過(guò)其自身與SPI 兼容的串行接口實(shí)現(xiàn)與MCU 的通信。對(duì)于LTC6802 而言，CSBI 為片選信號(hào);SDO 為串行數(shù)據(jù)輸出;SDI 為串行數(shù)據(jù)輸入;SCKI 為串行時(shí)鐘輸入。

此外，為了保證通信過(guò)程穩(wěn)定可靠，本設(shè)計(jì)中還引入了靜電干擾抑制電路，見圖2 中的D7-D15.該電路由8 個(gè)二極管和一個(gè)齊納二極管組成，實(shí)際也可以采用專用的ESD 靜電保護(hù)器件PRTR5V0U4D 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MCU 的另一項(xiàng)任務(wù)是將電池包組態(tài)信息發(fā)送到CAN 通信網(wǎng)絡(luò)中。在此本設(shè)計(jì)選取了CAN 隔離驅(qū)動(dòng)芯片ISO1050,見圖2 中的U1.為了進(jìn)一步提高CAN 通信的抗干擾性能，在平臺(tái)的CAN 輸出端還采用了瞬態(tài)電壓抑制芯片PSM712.

2.3 電壓采集及均衡電路設(shè)計(jì)

LTC6802 最主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組內(nèi)單體電壓的檢測(cè)以及在單體過(guò)壓狀態(tài)下的均衡控制。LTC6802 具有12 位ADC,可實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)12 節(jié)串聯(lián)單體的電壓檢測(cè)，芯片外圍的電壓采集電路也比較簡(jiǎn)單，只需將單體的正負(fù)極分別接入芯片對(duì)應(yīng)的單體電壓輸入端即可，為了抑制電壓信號(hào)中的高頻噪聲，電路中還加入了RC 低通濾波環(huán)節(jié)。此外，LTC6802 還具有MOSFET 驅(qū)動(dòng)輸出能力，該驅(qū)動(dòng)輸出端內(nèi)置了10k 的上拉電阻，可用于驅(qū)動(dòng)外部MOSFET.

對(duì)于串聯(lián)電池組中的單體n 而言，其對(duì)應(yīng)的電壓采集電路和均衡控制電路如圖3 所示，其中上圖為電壓采集電路，下圖為均衡控制電路。圖中CELLn 和CELLn-1 分別接到單體n的正極和負(fù)極;Cn 和Cn-1 為L(zhǎng)TC6802 電壓采集輸入端;DCn為L(zhǎng)TC6802 的MOSFET 驅(qū)動(dòng)輸出端。當(dāng)單體n 出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，Q1 將導(dǎo)通對(duì)其放電，放出的電能會(huì)消耗在電阻R1 上。

2.4 溫度采集電路設(shè)計(jì)

電池包節(jié)點(diǎn)溫度也是組態(tài)信息中的重要參數(shù)。在本平臺(tái)中，節(jié)點(diǎn)溫度的檢測(cè)由MCU 實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)每個(gè)單體取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)12 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度檢測(cè)。溫度采集電路如圖4 所示，圖中給出了節(jié)點(diǎn)1 的連接電路。首先，設(shè)計(jì)中選取熱敏電阻RT103 作為溫度傳感原件，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);接著，電壓信號(hào)輸入模擬開關(guān)器件CD4067D,可通過(guò)MCU 配置其ABCD 四個(gè)控制端對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選通，并由其公共端即管腳1 輸出;最后，模擬開關(guān)輸出的信號(hào)經(jīng)RC 濾波及限幅處理后輸入到MCU 的AD 輸入端，節(jié)點(diǎn)溫度采集得以實(shí)現(xiàn)。

圖3 電壓采集及均衡電路

圖4 溫度采集電路

3 結(jié)論

本文基于電池監(jiān)控芯片LTC6802 以及Freescale 系列微控制器MC9S08DZ60,設(shè)計(jì)了一套面向串聯(lián)鋰離子電池組的監(jiān)控平臺(tái)。論文結(jié)合芯片特點(diǎn)及平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)合，分別對(duì)電壓檢測(cè)電路、均衡控制電路、溫度采集電路、SPI 通信及CAN 通信電路進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。該平臺(tái)充分利用了LTC6802 集成度高、電壓采集精度高以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，很大程度上改善了傳統(tǒng)的電池監(jiān)控電路存在的電壓采集精度差和電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題?？梢詳嘌裕?在EV/HEV 產(chǎn)業(yè)中，這種基于LTC6802 的電池組監(jiān)控平臺(tái)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。