基于LTC6802的鋰電池組均衡電路設(shè)計

動力電池組被廣泛應(yīng)用在電動自行車和混合動力汽車中。電池組在使用中由于單體電池性能的差異而導(dǎo)致整體性能和壽命的下降非常普遍， 通過均衡可以提高電池組能量利用率和使用壽命。

本文設(shè)計的均衡電路的基本原理是通過使用專用電池組管理芯片LTC6802-1測量電池組中單體電池電壓， 將數(shù)據(jù)通過SPI總線傳送給單片機(jī)， 單片機(jī)通過決策對均衡電路進(jìn)行控制。實驗表明， 基于LTC6802-1芯片設(shè)計的均衡電路， 在電池組使用過程中單體電池的能量一致性得到了明顯改善。

1 均衡電路工作原理

本文基于LTC68021 鋰電池組管理芯片設(shè)計的電池組均衡電路， 由取電系統(tǒng)、嵌入式處理器、LTC6802-1數(shù)據(jù)采集及均衡電路四部分構(gòu)成， 電路框圖如圖1所示。

圖1 基于LTC6802-1設(shè)計的均衡電路結(jié)構(gòu)框圖

取電系統(tǒng)是均衡電路的供電來源， 電源取自鋰電池組， 并提供給低功耗嵌入式處理器與LTC6802-1芯片。嵌入式處理器時均衡電路的核心， 一方面通過SPI接口與LTC6802-1進(jìn)行通信， 另一方面對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理。數(shù)據(jù)采集電路主要由LTC6802-1芯片構(gòu)成, 該芯片內(nèi)置了高精度AD 轉(zhuǎn)換器， 結(jié)合外部濾波電路可以對鋰電池組參數(shù)實現(xiàn)精確得采樣。LTC6802-1芯片均衡接口的特殊設(shè)計， 能夠控制外部均衡電路進(jìn)行工作， 簡化了均衡電路。

1. 1 取電系統(tǒng)

LTC6802-1最多能夠管理12節(jié)串聯(lián)的鋰電池組， 以萬向電動汽車有限公司生產(chǎn)的WX11 I3215鋰電池為例， 單體電池在使用過程中電壓在2. 8 3. 8V 變化， 12節(jié)WX11 I3215串聯(lián)的鋰電池組在使用過程中電池組總電壓的變化范圍在33. 6 45. 6V。均衡電路中嵌入式處理器A tmega16L與LTC68021均使用5V 直流電源供電， 因此取電系統(tǒng)的輸出電壓選擇為5V。由于均衡電路中采用的都是低功耗芯片， 取電系統(tǒng)的輸出功率選擇為5W。基于上述取電系統(tǒng)的寬電壓輸入的特殊性， 本文中取電系統(tǒng)采用單片開關(guān)電源芯片TOPSw itch設(shè)計了一種具有輸入電壓范圍寬的開關(guān)電源。

1. 2 嵌入式處理器及SPI接口

本文選用A tme l公司的AVR系列處理器A tmega16L,該芯片具有16kb的在線編程Flash程序存儲器、512字節(jié)EEPROM、2kb SRAM、32 個通用工作寄存器、32 個通用I/O口， 還具有SPI、USART 等豐富的外設(shè)。同時， A tmega16L芯片具有低功耗貼片封裝可滿足低功耗均衡電路的設(shè)計要求， 芯片豐富的內(nèi)部資源及接口可以完成鋰電池組管理系統(tǒng)的各種功能。A tmega16L 通過SPI總線與LTC6802-1進(jìn)行通信。

LTC6802-1 芯片SPI 工作模式固定為CPHA = 1,CPOL= 1, 字節(jié)發(fā)送高位在先， 可以支持主機(jī)最大SPI移位頻率到1MHz。因此， 在A tmega16L的SPI驅(qū)動函數(shù)編寫中SPI外設(shè)控制寄存器要有相同的配置。

本文設(shè)計的均衡電路中A tm ega16L通過SPI總線讀取各電池電壓的AD 轉(zhuǎn)換值， 然后對電池電壓進(jìn)行排序，選擇出最高電壓所對應(yīng)的電池， 接著發(fā)送指令控制LTC6802-1對均衡電路進(jìn)行操作。軟件流程如圖2所示。

圖2 電壓采集及均衡控制軟件流程圖

1. 3 LTC6802-1電壓采集與均衡電路設(shè)計

LTC6802-1芯片內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 集成了多路模擬開關(guān)和高精度基準(zhǔn)源。芯片內(nèi)置的AD 轉(zhuǎn)換器能夠通過內(nèi)部集成的多路模擬開關(guān)采集到電池組內(nèi)單體電池的電壓， 不需要復(fù)雜的分壓網(wǎng)絡(luò)， 從而方便了采集電路的設(shè)計。如圖3所示， LTC6802-1對各單體電池電壓信號分別通過RC 低通濾波連接至LTC6802-1的C( n)引腳。RC 低通濾波器消除了電壓信號中的高頻分量， 使得采集的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

圖3 LTC6802-1鋰電池組均衡電路