LTC6802在鋰電池組均衡電路中的應(yīng)用
摘要：該文介紹了LTC680221芯片在鋰電池組均衡電路中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)的均衡電路以電池電壓為均衡判據(jù)，利用LTC680221芯片采集電壓、溫度，Atmega16L單片機(jī)通過(guò)SPI方式讀取電池組的電壓和溫度值，并進(jìn)行相應(yīng)均衡管理和電池組保護(hù)。
1、均衡電路工作原理本文基于LTC680221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、LTC680221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。
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LTC680221芯片。嵌入式處理器時(shí)均衡電路的核心，一方面通過(guò)SPI接口與LTC680221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LTC680221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。LTC680221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)LTC680221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WX11I3215鋰電池為例，單體電池在使用過(guò)程中電壓在2.8—3.8V變化，12節(jié)WX11I3215串聯(lián)的鋰電池組在使用過(guò)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Atmega16LLTC680221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TOPSwitch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Atmel公司的AVR系列處理器Atmega16L，該芯片具有16kb的在線編程Flash程序存儲(chǔ)器、512字節(jié)EEPROM、2kbSRAM、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)，At2mega16L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。Atmega16L通過(guò)SPI總線與LTC680221進(jìn)行通信。
LTC680221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Atmega16L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Atmega16L通過(guò)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LTC680221對(duì)均衡電路進(jìn)行操作。軟件流程如圖2所示。
LTC680221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(guò)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，LTC680221對(duì)各單體電池電壓信號(hào)分別通過(guò)RC低通濾波連接至LTC680221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。
LTC680221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，LTC680221通過(guò)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2.1LTC680221SPI通信測(cè)試LTC680221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LTC680221，頂層指最高電壓電池組對(duì)應(yīng)的LTC680221，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LTC680221。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、TOS3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。
在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)Atmega16L接收到的電壓數(shù)據(jù)與高精度電壓表UNI2TUT805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，LTC680221各個(gè)通道的測(cè)量誤差小于10mV。
2.2均衡效果測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于LTC680221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LTC680221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。
3、結(jié)束語(yǔ)采用LTC680221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LTC680221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。
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