基于LTC6802的鋰電池組均衡電路原理

動(dòng)力電池組被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)自行車和混合動(dòng)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(jì)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(cè)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(duì)均衡電路進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)表明， 基于LTC6802-1芯片設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(lái)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(shí)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(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)鋰電池組參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確得采樣。LTC6802-1芯片均衡接口的特殊設(shè)計(jì)， 能夠控制外部均衡電路進(jìn)行工作， 簡(jiǎn)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(wàn)向電動(dòng)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(jì)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(chǔ)器、512字節(jié)EEPROM、2kb SRAM、32 個(gè)通用工作寄存器、32 個(gè)通用I/O口， 還具有SPI、USART 等豐富的外設(shè)。同時(shí)， 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(jì)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(dòng)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(jì)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(duì)電池電壓進(jìn)行排序，選擇出最高電壓所對(duì)應(yīng)的電池， 接著發(fā)送指令控制LTC6802-1對(duì)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(jì)

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(jì)。如圖3所示， LTC6802-1對(duì)各單體電池電壓信號(hào)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(hào)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

LTC6802-1芯片除了電壓采集還具備均衡控制功能。本文設(shè)計(jì)的均衡電路如圖3所示， 該電路主要由開關(guān)管和功率電阻組成， LTC6802-1通過控制開關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓電池的電量釋放。

2 測(cè)試

2. 1 LTC6802-1 SPI通信測(cè)試

LTC6802-1硬件配置根據(jù)在級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的位置可以分為3類： 底層、中間層、頂層。底層指的是最低電位電池組模塊所對(duì)應(yīng)的LTC6802-1, 頂層指最高電壓電池組對(duì)應(yīng)的LTC6802-1, 而中間層是電壓值夾在中間的其他電池組模塊對(duì)應(yīng)的LTC6802-1。3種位置在外圍電路配置上是有差異的， 具體表現(xiàn)在VMODE、SDO、TOS 3個(gè)管腳， 如表1所示進(jìn)行配置。其他硬件管腳在菊花鏈中的連接固定不變。

表1 管腳配置表


在實(shí)驗(yàn)室條件下， 對(duì)A tm ega16L接收到的電壓數(shù)據(jù)與高精度電壓表UN IT UT805直接測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 實(shí)驗(yàn)中對(duì)4個(gè)通道的精度做了對(duì)比， 如表2所示， LTC6802-1各個(gè)通道的測(cè)量誤差小于10mV。

表2 LTC6802-1電壓采樣值對(duì)照表單位


2. 2 均衡效果測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的基于LTC6802-1均衡電路在實(shí)驗(yàn)室條件下做了0. 2C 恒定電流放電測(cè)試。測(cè)試中選擇4節(jié)PL603759鋰電池串聯(lián)的電池組， 放電負(fù)載選用型號(hào)為IT8513B 的可編程電子負(fù)載儀。使用均衡電路前電池組放電曲線如圖4所示， 使用LTC68021均衡電路后電池組放電曲線如圖5所示， 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， 均衡前單體電池最大壓差接近70mV, 均衡后最大壓差接近20mV, 使用了均衡電路后電池組內(nèi)單體電池的能量一致性有比較明顯的改善。


圖4 使用均衡電路前電池組放電曲線


圖5 使用LTC6802-1均衡電路后電池組放電曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

采用LTC6802-1的均衡電路在4節(jié)電池組應(yīng)用中得到測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果表明： 本文設(shè)計(jì)的LTC6802-1均衡電路構(gòu)成的鋰電池均衡電路具有元件需求少、所占空間小、均衡效果好， 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 具有較高的實(shí)用價(jià)值。