基于LTC6802 的電池組監(jiān)控平臺的電路設(shè)計

隨著環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)峻，電動汽車及混合動力汽車(EV/HEV)已經(jīng)成為了當(dāng)今世界關(guān)注的焦點。蓄電池是EV的動力環(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3.65 V,因此常需多單體串并聯(lián)組合使用來滿足車輛的需求[1-3].對于車載電池包而言，一個功能完備的監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。目前國內(nèi)的電池組監(jiān)控設(shè)備存在兩大問題：一是電池電壓檢測精度不高，二是電池組均衡控制的實現(xiàn)較復(fù)雜。針對這些問題，本文應(yīng)用Linear Technology 公司新推出的電池組監(jiān)控芯片LTC6802,設(shè)計了一套面向鋰離子電池組的硬件監(jiān)控平臺。該平臺設(shè)計實現(xiàn)的功能包括單體電壓/ 溫度檢測、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，每片可以檢測多達12 個串聯(lián)連接的單體電池電壓，輸入總電壓高達60V,可以通過分布式總線結(jié)構(gòu)或直接將芯片串聯(lián)的方式來實現(xiàn)對更多串聯(lián)單體電池的電壓檢測。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5~8 mV;(2)具有被動均衡功能，可通過片內(nèi)(或外部擴展的)MOSFET開關(guān)對過壓的單體進行放電;(3)1 MHz 可與SPI 兼容的串行通信接口;(4)具有較強的抗電磁干擾能力。

總的來看，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)控平臺設(shè)計

2.1 電池監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電池組監(jiān)控平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本平臺設(shè)計采用分布式CAN 總線結(jié)構(gòu)，首先，LTC6802 用于實現(xiàn)對單體電壓的采集以及串聯(lián)電池組的被動均衡控制;主控芯片負責(zé)接收來自LTC6802 的電壓采集信息，并對LTC6802 的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，此外MCU 還用于實現(xiàn)電池包節(jié)點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)控平臺整體結(jié)構(gòu)

2.2 LTC6802 與MCU 的連接電路設(shè)計

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MC9S08DZ60,其主要功能是進行電流和溫度采集、接收來自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 可通過其自身與SPI 兼容的串行接口實現(xiàn)與MCU 的通信。對于LTC6802 而言，CSBI 為片選信號;SDO 為串行數(shù)據(jù)輸出;SDI 為串行數(shù)據(jù)輸入;SCKI 為串行時鐘輸入。

此外，為了保證通信過程穩(wěn)定可靠，本設(shè)計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 個二極管和一個齊納二極管組成，實際也可以采用專用的ESD 靜電保護器件PRTR5V0U4D 來實現(xiàn)。

MCU 的另一項任務(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)計選取了CAN 隔離驅(qū)動芯片ISO1050,見圖2 中的U1.為了進一步提高CAN 通信的抗干擾性能，在平臺的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

LTC6802 最主要的功能是實現(xiàn)對電池組內(nèi)單體電壓的檢測以及在單體過壓狀態(tài)下的均衡控制。LTC6802 具有12 位ADC,可實現(xiàn)對多達12 節(jié)串聯(lián)單體的電壓檢測，芯片外圍的電壓采集電路也比較簡單，只需將單體的正負極分別接入芯片對應(yīng)的單體電壓輸入端即可，為了抑制電壓信號中的高頻噪聲，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)動輸出能力，該驅(qū)動輸出端內(nèi)置了10k 的上拉電阻，可用于驅(qū)動外部MOSFET.

對于串聯(lián)電池組中的單體n 而言，其對應(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的正極和負極;Cn 和Cn-1 為LTC6802 電壓采集輸入端;DCn為LTC6802 的MOSFET 驅(qū)動輸出端。當(dāng)單體n 出現(xiàn)過壓時，Q1 將導(dǎo)通對其放電，放出的電能會消耗在電阻R1 上。

2.4 溫度采集電路設(shè)計

電池包節(jié)點溫度也是組態(tài)信息中的重要參數(shù)。在本平臺中，節(jié)點溫度的檢測由MCU 實現(xiàn)，設(shè)計每個單體取一個節(jié)點，共計可實現(xiàn)對12 個節(jié)點的溫度檢測。溫度采集電路如圖4 所示，圖中給出了節(jié)點1 的連接電路。首先，設(shè)計中選取熱敏電阻RT103 作為溫度傳感原件，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號;接著，電壓信號輸入模擬開關(guān)器件CD4067D,可通過MCU 配置其ABCD 四個控制端對輸入信號進行選通，并由其公共端即管腳1 輸出;最后，模擬開關(guān)輸出的信號經(jīng)RC 濾波及限幅處理后輸入到MCU 的AD 輸入端，節(jié)點溫度采集得以實現(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)計了一套面向串聯(lián)鋰離子電池組的監(jiān)控平臺。論文結(jié)合芯片特點及平臺應(yīng)用場合，分別對電壓檢測電路、均衡控制電路、溫度采集電路、SPI 通信及CAN 通信電路進行了具體的設(shè)計。該平臺充分利用了LTC6802 集成度高、電壓采集精度高以及抗干擾能力強的特點，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)雜的問題?？梢詳嘌?， 在EV/HEV 產(chǎn)業(yè)中，這種基于LTC6802 的電池組監(jiān)控平臺具有很強的應(yīng)用價值和良好的應(yīng)用前景。