基于LTC6802的锂电池组均衡电路设计

2万 · 2014-3-26 23:51

动力电池组被广泛应用在电动自行车和混合动力汽车中。电池组在使用中由于单体电池性能的差异而导致整体性能和寿命的下降非常普遍，通过均衡可以提高电池组能量利用率和使用寿命。

本文设计的均衡电路的基本原理是通过使用专用电池组管理芯片LTC6802-1测量电池组中单体电池电压，将数据通过SPI总线传送给单片机，单片机通过决策对均衡电路进行控制。实验表明，基于LTC6802-1芯片设计的均衡电路，在电池组使用过程中单体电池的能量一致性得到了明显改善。

1 均衡电路工作原理

本文基于LTC68021锂电池组管理芯片设计的电池组均衡电路，由取电系统、嵌入式处理器、LTC6802-1数据采集及均衡电路四部分构成，电路框图如图1所示。

图1 基于LTC6802-1设计的均衡电路结构框图

取电系统是均衡电路的供电来源，电源取自锂电池组，并提供给低功耗嵌入式处理器与LTC6802-1芯片。嵌入式处理器时均衡电路的核心，一方面通过SPI接口与LTC6802-1进行通信，另一方面对获得的数据进行简单的处理。数据采集电路主要由LTC6802-1芯片构成，该芯片内置了高精度AD转换器，结合外部滤波电路可以对锂电池组参数实现精确得采样。LTC6802-1芯片均衡接口的特殊设计，能够控制外部均衡电路进行工作，简化了均衡电路。

2万 · 2014-3-26 23:52

1.1 取电系统
LTC6802-1最多能够管理12节串联的锂电池组，以万向电动汽车有限公司生产的WX11 I3215锂电池为例，单体电池在使用过程中电压在2.8 3.8V变化，12节WX11 I3215串联的锂电池组在使用过程中电池组总电压的变化范围在33.6 45.6V。均衡电路中嵌入式处理器A tmega16L与LTC68021均使用5V直流电源供电，因此取电系统的输出电压选择为5V。由于均衡电路中采用的都是低功耗芯片，取电系统的输出功率选择为5W。基于上述取电系统的宽电压输入的特殊性，本文中取电系统采用单片开关电源芯片TOPSw itch设计了一种具有输入电压范围宽的开关电源。
1.2 嵌入式处理器及SPI接口
本文选用A tme l公司的AVR系列处理器A tmega16L，该芯片具有16kb的在线编程Flash程序存储器、512字节EEPROM、2kb SRAM、32 个通用工作寄存器、32 个通用I/O口，还具有SPI、USART 等丰富的外设。同时，A tmega16L芯片具有低功耗贴片封装可满足低功耗均衡电路的设计要求，芯片丰富的内部资源及接口可以完成锂电池组管理系统的各种功能。A tmega16L通过SPI总线与LTC6802-1进行通信。
LTC6802-1芯片SPI工作模式固定为CPHA=1，CPOL=1，字节发送高位在先，可以支持主机最大SPI移位频率到1MHz。因此，在A tmega16L的SPI驱动函数编写中SPI外设控制寄存器要有相同的配置。

2万 · 2014-3-26 23:52

本文设计的均衡电路中A tm ega16L通过SPI总线读取各电池电压的AD转换值，然后对电池电压进行排序，选择出最高电压所对应的电池，接着发送指令控制LTC6802-1对均衡电路进行操作。软件流程如图2所示。

图2 电压采集及均衡控制软件流程图

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1.3 LTC6802-1电压采集与均衡电路设计

LTC6802-1芯片内置12位模数转换器，集成了多路模拟开关和高精度基准源。芯片内置的AD转换器能够通过内部集成的多路模拟开关采集到电池组内单体电池的电压，不需要复杂的分压网络，从而方便了采集电路的设计。如图3所示，LTC6802-1对各单体电池电压信号分别通过RC低通滤波连接至LTC6802-1的C（n）引脚。RC低通滤波器消除了电压信号中的高频分量，使得采集的数据更加稳定可靠。

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图3 LTC6802-1锂电池组均衡电路

LTC6802-1芯片除了电压采集还具备均衡控制功能。本文设计的均衡电路如图3所示，该电路主要由开关管和功率电阻组成，LTC6802-1通过控制开关管来实现高电压电池的电量释放。

2万 · 2014-3-26 23:53

2 测试
2.1 LTC6802-1 SPI通信测试
LTC6802-1硬件配置根据在级联结构中的位置可以分为3类：底层、中间层、顶层。底层指的是最低电位电池组模块所对应的LTC6802-1，顶层指最高电压电池组对应的LTC6802-1，而中间层是电压值夹在中间的其他电池组模块对应的LTC6802-1。3种位置在外围电路配置上是有差异的，具体表现在VMODE、SDO、TOS 3个管脚，如表1所示进行配置。其他硬件管脚在菊花链中的连接固定不变。

表1 管脚配置表

2万 · 2014-3-26 23:53

在实验室条件下，对A tm ega16L接收到的电压数据与高精度电压表UN IT UT805直接测量数据进行对比，实验中对4个通道的精度做了对比，如表2所示，LTC6802-1各个通道的测量误差小于10mV。

表2 LTC6802-1电压采样值对照表单位

2万 · 2014-3-26 23:54

2.2 均衡效果测试
本文设计的基于LTC6802-1均衡电路在实验室条件下做了0.2C恒定电流放电测试。测试中选择4节PL603759锂电池串联的电池组，放电负载选用型号为IT8513B的可编程电子负载仪。使用均衡电路前电池组放电曲线如图4所示，使用LTC68021均衡电路后电池组放电曲线如图5所示，对比可以发现，均衡前单体电池最大压差接近70mV，均衡后最大压差接近20mV，使用了均衡电路后电池组内单体电池的能量一致性有比较明显的改善。