馮乾，化春雨，朱炯，施輝偉(.云南電網(wǎng)公司北京能源新技術(shù)研究中心，北京 00084；.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

LTC6802檢測串聯(lián)電池組電壓電路設(shè)計(jì)

馮乾1，化春雨2，朱炯1，施輝偉1
(1.云南電網(wǎng)公司北京能源新技術(shù)研究中心，北京 100084；2.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

介紹了串聯(lián)電池組電壓管理芯片LTC6802-2的特點(diǎn)和使用方法。分別以51單片機(jī)和TMS320LF2407為控制器，從通信的角度詳細(xì)探討在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的問題，實(shí)現(xiàn)LTC6802-2對(duì)串聯(lián)電池組電壓的檢測。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了此方法的有效性。

串聯(lián)電池組；電壓檢測；LTC6802；鋰電池

隨著全球能源危機(jī)的加重，電能以其卓越的優(yōu)勢霸占了能源的大部分市場。同時(shí)，許多形式的新能源不斷涌出，如風(fēng)能、太陽能、核能和熱能等，但是這些能源大都轉(zhuǎn)換成電能的形式進(jìn)行傳輸和使用。然而，電能也有其致命的缺點(diǎn)，也就是存儲(chǔ)問題。目前，通常是根據(jù)負(fù)荷需要控制發(fā)電量，也就是用電和發(fā)電盡量保持平衡。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們要求的提高，我們需的電能儲(chǔ)備也越來越多，這對(duì)能量的存儲(chǔ)帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。首先，各發(fā)電場合以及發(fā)電維護(hù)場合通常需要一定的電量儲(chǔ)備，以維持設(shè)備的出現(xiàn)發(fā)電和供電故障情況下的正常供電。其次，一些重要負(fù)荷也要保障短時(shí)間斷電時(shí)正常供電，這也需要一些電量儲(chǔ)備。第三，隨著石油危機(jī)的到來，傳統(tǒng)能源汽車收到巨大的挑戰(zhàn)，汽車也向電動(dòng)汽車發(fā)展，而電動(dòng)汽車最大的瓶頸也是電能的存儲(chǔ)問題。

隨著這一系列問題的出現(xiàn)，電池作為目前最主要的儲(chǔ)能工具，近幾年得到蓬勃發(fā)展，特別是鋰電池備受人們的關(guān)注。然而單體電池電壓比較低，儲(chǔ)能比較少，通常需要串聯(lián)組成電池組使用。串聯(lián)電池組存在電量管理問題，需要對(duì)其進(jìn)行電壓、電流、溫度的檢測以及剩余電量的估計(jì)和個(gè)單體間能量的均衡。其中，對(duì)于串聯(lián)電池組電壓的檢測方法有很多，傳統(tǒng)的方法主要有飛度電容法、電阻分壓法、V/F轉(zhuǎn)換法、光耦隔離檢測法以及運(yùn)算放大器和模擬器件轉(zhuǎn)換抑制共模電壓檢測法，但是這些方法電路都比較復(fù)雜，實(shí)施起來比較麻煩[1]。文中選用凌力爾特(Linear)公司開發(fā)的一款串聯(lián)電池組管理芯片LTC6802能夠較方便地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的電壓檢測。同時(shí)，它還具有電池的過充和過放電保護(hù)、自身的溫度檢測保護(hù)和對(duì)電池組的均衡能力。

1 LTC6802-2介紹

LTC6802-2內(nèi)部含有12位的AD轉(zhuǎn)換器，精密電壓基準(zhǔn)，高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和SPI串行接口。每個(gè)芯片可以檢測12節(jié)串聯(lián)在一起的電池。同時(shí)，芯片還支持串聯(lián)使用，最多可以將16個(gè)芯片串聯(lián)在一起使用，即最多可以檢測12×16=192節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組。每個(gè)AD的轉(zhuǎn)換范圍為0～5 V，因此每個(gè)芯片的檢測串聯(lián)電池組電壓可達(dá)60 V。另外，LTC6802-2在LTC6802-1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了4位的外部編址接口A0～A3，可對(duì)其進(jìn)行編址，方便了對(duì)某一指定檢測單元的單獨(dú)操作。另外，LTC6802-2還具有高溫保護(hù)功能，電池過充過放電狀態(tài)監(jiān)視，電量均衡功能[2-4]。

LTC6802-2有三種工作模式：待機(jī)模式、測量模式和監(jiān)事模式。上電默認(rèn)為待機(jī)模式，此模式下，只有串口和5 V的穩(wěn)壓基準(zhǔn)源處于工作狀態(tài)，其他所有電路均不工作。必須通過串口通信，對(duì)LTC6802-2進(jìn)行配置才可以啟動(dòng)其他電路，此時(shí)可向CFGR0的CDC[2:0]位寫入非0的值使其退出待機(jī)模式，LTC6802-2退出待機(jī)模式后VREF引腳可以檢測到3.075 V的脈沖基準(zhǔn)電壓信號(hào)，否則檢測電壓為0 V，這可以作為判斷串口通信成功的檢測依據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文主要以51單片機(jī)和TMS320LF2407為主控器，分別介紹他們的硬件接口電路，并分析調(diào)試過程中遇到的問題。

2.1 51 單片機(jī)與LTC6802-2的通信接口

圖1給出了以51單片機(jī)為控制器的控制電路，在保證電路正常工作條件下，外圍電路以最簡單的形式給出。如果電池選用大容量動(dòng)力電池，則要考慮加鉗位保護(hù)電路，防止C引腳出現(xiàn)大的電流而損壞芯片。因?yàn)?1單片機(jī)和LTC6802-2的通信接口均為5 V工作電壓，在只有一片LTC6802-2接入時(shí)，可以不加隔離器件，直接進(jìn)行串口通信。

圖1 51單片機(jī)與LTC6802-2的連接電路

51單片機(jī)的SPI串行通信接口使用P1.0～P1.3來模擬，模擬SPI接口時(shí)需要注意，該接口沒有做其他的擴(kuò)展用途，如果接有其他的擴(kuò)展電路，在進(jìn)行SPI通信時(shí)要進(jìn)行屏蔽，否則有可能對(duì)串行通信造成干擾，導(dǎo)致無法正常通信。

2.2 TMS320LF2407與LTC6802-2的通信接口

TI公司的TMS320LF2407內(nèi)部自帶SPI串行通信模塊，利用此模塊可以簡單地實(shí)現(xiàn)DSP與LTC6802-2的通信。通信中需要注意的是，通用SPI模塊一般是每進(jìn)行一次讀寫操作CS引腳就分別給出相應(yīng)的片選信號(hào)，但根據(jù)LTC6802-2的時(shí)序需求，每次片選有效時(shí)，都要進(jìn)行多次的讀寫操作。因此，此處不能使用SPI模塊的片選，實(shí)驗(yàn)中選取DSP的PB4來給定片選信號(hào)。

設(shè)計(jì)中需要注意的另一點(diǎn)是數(shù)字隔離器件的選取。因?yàn)長TC6802-2的5 V基準(zhǔn)電源的驅(qū)動(dòng)能力比較弱，最大只能提供負(fù)載4 mA的電流，所以選擇數(shù)字隔離器件時(shí)必須選擇低功耗器件，否則，功耗過大將導(dǎo)致LTC6802-2芯片發(fā)熱，基準(zhǔn)電源電壓下降，當(dāng)降至4.1 V時(shí)，芯片將無法正常工作。本文選取ADUM1411[5]，它是ADI公司開發(fā)的一款超低功耗4通道數(shù)字隔離芯片，復(fù)合此處SPI通信的需求，并且功耗低，最高通信速度可達(dá)到10 M，也滿足通信的需求。圖2是TMS320LF2407 與LTC6802-2的工作電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中主要需注意的是SPI通信的時(shí)序要與LTC6802-2的時(shí)序相匹配，時(shí)鐘頻率必須小于1 M，通信模式按照LTC6802-2的規(guī)定CPHA=1和CPOL=1(其時(shí)序圖如圖3)，但是由于TMS320LF2407的SPI通信模式與標(biāo)準(zhǔn)定義的差別，TMS320LF2407的通信模式應(yīng)該設(shè)為PHASE=0和POLARITY=1。另外，需要注意的是由于TMS320LF2407自帶SPI通信模塊式的特點(diǎn)所限，在進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)操作時(shí)需要虛發(fā)操作，已啟動(dòng)時(shí)鐘，才能正常讀取數(shù)據(jù)。

圖2 TMS320LF2407與LTC6802-2的連接電路

圖3 LTC6802-2的通信時(shí)序圖

因?yàn)長TC6802-2支持多次的連續(xù)讀寫操作，因此，通信過程中選取通用I/O作SPI通信的CS片選信號(hào)，而不是直接用SPI模塊的片選信號(hào)引腳。使用LTC6802-2進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換前需要先對(duì)其進(jìn)行初始化，即寫配置寄存器組CFGR0～CFGR5。讀數(shù)據(jù)時(shí)要先發(fā)送要讀取的LTC6802-2的地址(由A0～A3引腳接線確定)，然后發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，再進(jìn)行讀操作。其操作寫控制寄存器步驟如下：(1)拉低CSBI；(2)發(fā)送寫配置寄存器命令；(3)發(fā)送配置寄存器數(shù)據(jù)(CFGR1，CFGR2，…CFGR5)；(4)抬高CSBI。

讀取電壓數(shù)據(jù)操作步驟如下：(1)拉低CSBI；(2)發(fā)送要讀取的LTC6802地址；(3)發(fā)送讀電壓命令；(4)發(fā)送電壓寄存器中電壓數(shù)據(jù)(CVR00，CVR01，…CVR17，PEC)；(5)抬高CSBI。在讀取電壓過程中，如果電池電壓有較大的變化或波動(dòng)會(huì)使LTC6802復(fù)位，進(jìn)入上電默認(rèn)待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)讀取電壓寄存器的值是不變的，為最后一次測量值，因此每次讀電壓時(shí)盡量進(jìn)行一次初始化配置，具體讀電壓流程如圖4。

軟件設(shè)計(jì)上，51單片機(jī)模擬SPI通信與通用的模擬程序類似，下面主要介紹以TMS320LF2407的SPI接口進(jìn)行通信的軟件設(shè)計(jì)。

(1)初始化，程序如下：

圖4 讀電壓流程圖

文中給出的初始化數(shù)據(jù)是只測量12接單體數(shù)據(jù)的情況下配置數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)需要，如果要對(duì)電池的過充電和過放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控或連接電池少于12節(jié)，可以對(duì)CFGR0～CFGR5進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置。

4 測量結(jié)果分析

對(duì)于電壓檢測，穩(wěn)定度非常重要。穩(wěn)定度越高，說明系統(tǒng)檢測也準(zhǔn)確，誤差也越小。因?yàn)長TC6802-2內(nèi)部是12位的AD，最小檢測步長是1.5 mV，對(duì)檢測電壓保留三位小數(shù)，對(duì)12節(jié)鋰離子電池的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，測量結(jié)果如表1。

表1 12節(jié)鋰離子電池電壓測量數(shù)據(jù)表

對(duì)檢測的電壓值求方差，可以看到方差幾乎為0，也就是說，檢測電壓比較穩(wěn)定，而且檢測精度較高。

5 結(jié)論

利用LTC6802-2檢測串聯(lián)電池組電壓，單體電池串聯(lián)數(shù)量多，電路結(jié)構(gòu)簡單，測量速度快，測量精度高，能滿足一般的檢測需求。另外，LTC6802-2是一款電池管理芯片，還具有溫度保護(hù)功能，檢測電池過充和過放電狀態(tài)，還能對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡控制，只需要增加簡單的外圍電路和寄存器配置即可實(shí)現(xiàn)這些功能。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了電池電壓的檢測，可以通過控制器判斷電池的過充和過放電狀態(tài)，從而進(jìn)行更好的均衡電池電量，所以文中并沒有對(duì)這些功能進(jìn)行詳細(xì)研究。但是，利用這種方法測量電池的電壓，對(duì)更好地監(jiān)視電池的充放電狀態(tài)和能量均衡具有非常重要的意義。

[1]蔡群英，張維戈，王占國.車用動(dòng)力鋰電池組的測量與均衡方法分析[J].電源技術(shù)，2011，35(4):449-451．

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[5]AN Shi-qi,QI An-ning,ZHU Yu-wei.Design and realization of SPI interface in lithium-ion battery voltage measuring system[C]//The 6th International Conference on Computer Science&Education, Singapore：ICCSE 2011:3-5.

Circuit design of LTC6802 detecting series battery voltage

FENG Qian1,HUA Chun-yu2,ZHU Jiong1,SHI Hui-wei1

The characteristics and the using method of battery management chip LTC6802-2 of series battery pack were introduced.The controller was 51SCM and TMS320LF2407.The problem in hardware design and software design should be noted from the communication point of view.The voltage detection of series battery pack with LTC6802-2 was achieved.The effectiveness of this method through the analysis of experimental data was verified.

series battery pack;voltage detection;LTC6802;lithium battery

TM 131

A

1002-087 X(2014)02-0252-03

2013-06-27

馮乾(1981—)，男，山西省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)控制、保護(hù)技術(shù)。

化春雨，E-mail：huachunyu2006@163.com