1 引言

　　 電池的正常使用是電動汽車能夠安全可靠行駛的重要保證。過度充電或過度放電均會對電池造成嚴重危害， 因此必需對電池組中的每節(jié)電池進行嚴格的監(jiān)控。LTC6802是凌力爾特公司推出的一款高度集成的電池監(jiān)測芯片。LTC6802 能同時監(jiān)測12節(jié)電池， 其外圍電路簡單， 在電池管理系統(tǒng)中的應用大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 有效地降低了產(chǎn)品成本。同時， 其12位的高分辨率也保證了系統(tǒng)的精度要求。
 

　　2 LTC6802簡介

　　2. 1 功能簡介

　　LTC6802是一款電池監(jiān)測芯片， 內(nèi)部包括12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 高精度電壓參考源， 高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和串行接口。每片LTC6802 可測量12節(jié)串聯(lián)電池電壓， 最大允許測量電壓60伏?？赏瑫r監(jiān)測全部電池電壓或單獨監(jiān)測串聯(lián)電池中的任一節(jié)電池。芯片采用獨特的電平移動串行接口， 多片LTC6802可直接串聯(lián)， 芯片之間無需光耦或隔離器件。

　　多片LTC6802串聯(lián)時可同時工作， 全部串聯(lián)電池的電壓測量時間在13ms 以內(nèi)。為減小功耗，LTC6802還可對每節(jié)電池的過電壓與欠電壓狀態(tài)進行實時監(jiān)控。芯片每個電池輸入端內(nèi)部連接有MOS開關(guān)用于對過充電池放電。

　　2. 2 LTC6802 性能概要

　　0. 25% 的最大總測量誤差(從- 40℃ ~ 85℃ )

　　可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)1000V +系統(tǒng)

　　固有FIR濾波處理電路的delta- sigma ADC

　　具有數(shù)據(jù)包誤差檢驗功能的1MH z串行接口

　　用于電池放電的片上FET

　　溫度傳感器輸入

　　內(nèi)置精確3V 基準和5V 穩(wěn)壓器

　　診斷和故障檢測

　　2. 3 引腳介紹

　　如圖1 所示， V +: 器件工作電源正端， 芯片工作電源由電池提供， V + 與電池組總正相連; C12 -C1: 電池電壓輸入端; S12 - S1: 電池均衡控制端;V-: 電源負端， 與電池組總負相連; VTEMP1, VTEMP2:溫度傳感器輸入端; VREF: 3. 075電壓基準; VREG:線性電壓基準; TOS: 芯片在串聯(lián)組中位置選擇端;MMB: 監(jiān)控模式選擇端; WDTB: 看門狗輸出; GPIO1,GPIO2: 通用I/O 口; VMODE: 通訊模式選擇端;SCK I、SD I、SDO、CSBI: SPI接口; CSBO、SBOI、SCKO:級聯(lián)時與下一級芯片通訊的SPI接口。

　　圖1 LTC6802芯片引腳圖

　　2. 4 工作原理

　　2. 4. 1 delta- sigm a模數(shù)轉(zhuǎn)換

　　如圖2所示， LTC6802通過輸入多路選擇器將輸入的電池電壓與12位delta- sigm a模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連， 內(nèi)部10ppm電壓基準源為LTC6802提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換用的參考源。LTC6802內(nèi)部含有一個二階de lta- sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用重建濾波器可以消除轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，從而提供一個高精度的數(shù)字量輸出， 其后跟隨一二階FIR濾波器。delta- sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端采樣頻率為512K, 大大降低了對輸入端外部濾波環(huán)節(jié)的需求。每次轉(zhuǎn)換包含兩個階段， 自動歸零與測量階段。

　　圖2 LTC6802內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　2. 4. 2 均衡

　　LTC6802可采用內(nèi)部與外部兩種均衡方式。每個S輸出管腳內(nèi)部均與N 溝道MOSFET 相連。內(nèi)部MOS管最大導通電阻為20歐。當采用內(nèi)部均衡時， 通過外部電阻與內(nèi)部MOSFET 串聯(lián)對電池放電。內(nèi)部MOSFET 也可用于控制外部均衡電路。

　　為獲得更大的放電電流， 提高放電效率， 通常采用外部均衡。S管腳內(nèi)部的10K 上拉電阻使其輸出可驅(qū)動外電路中P 溝道MOSFET 的門極。通過外部串聯(lián)MOS管與電阻對電池放電。芯片內(nèi)部MOSFET的開通與關(guān)斷由外部控制器對LTC6802進行控制，芯片自身無法控制。

　　2. 4. 3 開路檢測

　　LTC6802具有獨特的開路檢測功能。此功能確保在開路狀態(tài)下芯片獲得的電壓讀數(shù)不會被誤認為是有效電壓值。

　　如圖3所示， 當外部電路沒有濾波環(huán)節(jié)時， AD的輸入電阻將在開路部分產(chǎn)生接近于0的電壓。內(nèi)部電流源用于判斷電池的真實狀態(tài)是否為開路。例如， 當C3斷開時， 與C3連接的兩節(jié)電池B3、B4讀數(shù)接近于0。此時主機可通過命令開啟LTC6802設置在AD于V - 之間的電流源。如C3 實際處于斷開狀態(tài)， 則再次讀取數(shù)據(jù)時B3 為0, B4 接近B3 +B4+ 0. 5V。

　　圖3 開路檢測電路

　　為了提高AD 的精度， 通常在外部電路增加濾波環(huán)節(jié)。如圖4所示， 當外部增加RC 濾波環(huán)節(jié)時，開路部分不會產(chǎn)生0 電壓值， 因為AD 輸入阻抗過大不足以對輸入管腳所接的電容放電。當C3 斷開時， 經(jīng)過幾個測量周期， AD 輸入電阻對CF3、CF4充電。C3電位接近C2與C4中點。此時B3、B4的測量值并非實際值。如此時啟用內(nèi)部100uA 電流源，C3電位將被拉低， B3的值接近0, B4的值接近滿量程。檢測CN 點是否開路的最好方法是比較啟用內(nèi)部100uA 電流源前后BN + 1節(jié)電池的電壓， 如果兩次測量的電壓值相差0. 2伏以上， 則可以判斷CN點開路。

　　圖4 帶外部濾波的開路檢測電路[!--empirenews.page--]2. 4. 4 過溫保護

　　芯片的電氣特性保證芯片在85度以下能夠正常工作。在核心溫度超過105度時， 測量精度逐漸下降。在接近150度時， 芯片損壞， 無法正常工作。

　　因此推薦芯片工作時最大核心溫度為125度。

　　為保護芯片避免由于過熱而導致的損壞， 芯片內(nèi)部包含有過溫保護電路。在開啟放電開關(guān)對電池大電流放電時以及在頻繁使用電流模式通訊時， 芯片均有可能出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。當在芯片電源正負端加較大電壓或者系統(tǒng)整體導熱性能不佳的情況下， 過熱現(xiàn)象更為嚴重。

　　過溫保護電路工作在非備用模式下， 當芯片檢測到自身溫度大于145度時， 命令寄存器中的值將復位到默認值， 同時關(guān)閉放電開關(guān)， 停止A /D 轉(zhuǎn)換，電流通訊模式中斷。溫度寄存器中的THSD 位被置高， THSD位的值在被讀取后自動清零。

　　由于過溫會中斷芯片的正常工作， 因此應利用內(nèi)部溫度監(jiān)視器實時監(jiān)測芯片溫度。

　　2. 5 寄存器與控制命令

　　LTC6802共有命令寄存器， 電壓寄存器， 溫度寄存器， 標志寄存器四組寄存器組。通過相應的讀寫命令對相應的寄存器進行訪問。通過配置命令寄存器可設置電池測量節(jié)數(shù)， 電池電壓測量時間， 過電壓、欠電壓門限值， 放電開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)。命令寄存器具體內(nèi)容如表1所示。

　　表1 LTC6802命令寄存器

　　2. 6 接口時序

　　芯片通過SPI串行接口進行訪問。訪問時序如圖5所示。CSB I是串行端口允許使能端， 它由主機控制; 它在一次數(shù)據(jù)傳送開始時拉低， 在傳輸結(jié)束時又重新拉高。SCLK 是串行端口時鐘信號， 它由主機控制。寫命令時SD I輸入需在SCLK 上升沿時保持穩(wěn)定。讀取數(shù)據(jù)時SDO在SCLK上升沿有效。

　　如兩秒鐘無時鐘信號輸入， 看門狗定時器輸出將被置低， 命令寄存器復位， 芯片進入低功耗的備用模式。此時， 除串行接口及電壓基準源外芯片其他功能禁用。

　　圖5 SPI訪問時序圖

　　3 電壓檢測應用實例

　　3. 1 硬件設計

　　由于芯片可以以級聯(lián)的方式工作， 因此在硬件設計時應注意根據(jù)芯片在串聯(lián)組中的位置將相應的管腳置高或置低。如芯片處于最低位直接與CPU相連， 則芯片采用電壓模式通訊， Vmode與V reg 相連， 串聯(lián)組中其他芯片采用電流模式通訊， 相應的Vmode與V - 相連。當芯片處于級聯(lián)最高位， TOS與V reg相連， 串聯(lián)組中其他芯片TOS 與V - 相連，允許數(shù)據(jù)通過SDO I管腳傳輸。芯片與CPU 的連接方式如圖6所示。

　　圖6 LTC6802應用實例

[!--empirenews.page--]3. 2 軟件設計

　　芯片可級聯(lián)工作， 當芯片串聯(lián)使用時， 依據(jù)芯片在串聯(lián)組中的順序由高至低依次向芯片寫入命令，讀取數(shù)據(jù)時， 數(shù)據(jù)依據(jù)芯片在串聯(lián)組中的順序由低至高依次被讀出。

　　微控制器可以通過IO 口模擬SPI接口訪問時序， 如此可以使應用更加靈活。下面是通過對LTC6802的操作來實現(xiàn)對電壓的測量。在電池管理系統(tǒng)應用中采用Freescale S12系列單片機， 通過IO 口模擬SPI來對傳感器進行訪問。為了說明問題給出了兩個主要的操作程序清單：

　　ccs68002( );

　　w rcmd_ltc( 0x01) ; 配置命令寄存器

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　w rcmd_ltc( 0x00) ;

　　scs68002( ) ;

　　de lay( 1) ;

　　ccs68002( ) ;

　　w rcmd_ltc( 0x10) ; 開始轉(zhuǎn)換電壓

　　scs68002( ) ;

　　de lay( 1) ;

　　ccs68002( ) ;

　　w rcmd_ltc( 0x04) ; 讀電壓數(shù)據(jù)

　　for ( i= 0; i< 19; i+ + )

　　{

　　temp= rddata_ltc( );

　　}

　　scs68002( ) ;

　　vo id w rcmd_ltc( uchar cmd)寫命令

　　{

　　Byte ;i

　　csclk68002( ) ;

　　for( i= 0; i< 8; i+ + )

　　{

　　if( ( cmd&0x80) = = 0x80)

　　{

　　sdo68002( );

　　}

　　else

　　{

　　cdo68002( ) ;

　　}

　　ssclk68002( ) ;

　　cmd= cmd< < 1;

　　csclk68002( );

　　}

　　}

　　Byte rddata_ ltc( void) 讀命令

　　{

　　Byte ,i res= 0;

　　csclk68002( );

　　for ( i= 0; i< 8; i+ + )

　　{

　　res= res< < 1;

　　ssc lk68002( );

　　if( d i68002= = 1)

　　res= res| 1;

　　csclk68002( );

　　}

　　return res;

　　}

　　4 結(jié)束語

　　在實際應用中， 測量全部電池的時間為13m s,電壓測量誤差值在10mV 以內(nèi)， 完全滿足電池管理系統(tǒng)的精度要求。LTC6802 的高集成度、高測量精度、快速測量時間、低功耗等優(yōu)點使其在針對電動汽車的電池管理系統(tǒng)中得到了良好的應用。