基于LTC6803的電動(dòng)車鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，我國的霧霾天氣越發(fā)嚴(yán)重，而霧霾的罪魁禍?zhǔn)字痪褪瞧嚾加臀矚?，研究和發(fā)展太陽能、風(fēng)能等新型清潔能源成為汽車工業(yè)的必然趨勢。電動(dòng)自行車電池的安全性、耐用性一直是制約電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，而電池的關(guān)鍵在于其。

鋰電池電動(dòng)車作為一種新興的交通工具，能源利用高、無排放、噪聲小，市場發(fā)展前景非常廣闊。電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)車的重要組成部分。隨著電動(dòng)車行業(yè)的高速發(fā)展，其對電池管理系統(tǒng)的要求也是日益提高。信號采集單元作為電池管理系統(tǒng)的前端控制部分，采樣的快速精確是電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。本設(shè)計(jì)方案選用電池管理芯片 LTC6803 采集電池的電壓信號，并利用其均衡功能設(shè)計(jì)均衡電路，通過 SPI 與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，提高單體電池電壓檢測精度、縮短檢測時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)對各串電芯的均衡保護(hù)。

電池管理系統(tǒng)主要由 12V 供電模塊、單片機(jī)控制模塊、LTC6803電壓采集和均衡模塊、溫度采集模塊、電流檢測模塊、繼電器控制模塊和 CAN 通信模塊等組成，如圖 1 所示。本設(shè)計(jì)方案選用 LTC6803 專用采集芯片進(jìn)行電池電壓信號的采集 ， 簡化了硬件電路和布線，并使整個(gè)系統(tǒng)具有開放性和擴(kuò)展性。溫度采集模塊采用熱敏電阻NTC（104F-4150F）配合 16 路選擇開關(guān)芯片 CD4067B 來實(shí)現(xiàn) 8路溫度的采集，解決 LTC6803 只帶兩路溫度采集和擴(kuò)展性差的問題。電流檢測模塊通過LEM 霍爾傳感器對母線電流進(jìn)行精確采樣。采用 12V 單獨(dú)供電模塊給 MCU 供電 ， 實(shí)現(xiàn)掉電情況下對電池狀態(tài)監(jiān)控。通過高速、隔離CAN 收發(fā)器與上位控制單元通信。電池管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保其電壓、電流和溫度等處于合理的狀態(tài)下，并綜合所采集到的電壓、電流和溫度等信息，統(tǒng)一處理分析并估算電池荷電狀態(tài)。在電池組的電壓、電流或溫度出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過繼電器控制模塊等及時(shí)切斷電路回路，保證安全。

電池管理系統(tǒng)中電壓信號采集的準(zhǔn)確性直接影響電池SOC估算的精度和對電池過壓、欠壓異常狀態(tài)的及時(shí)處理，同時(shí)也影響整個(gè)系統(tǒng)電池均衡控制的有效性。LTC6803 是美國Linear Technology 公司推出的一款多節(jié)電池監(jiān)視芯片，包含了 ADC（12 位）、電壓基準(zhǔn)（精準(zhǔn)型）、多路電池電壓輸入監(jiān)控、SPI 串行通信接口等部分，能方便的實(shí)現(xiàn)對電池電壓的精確測量并易于設(shè)計(jì)均衡控制電路。通過將一個(gè)分立的 PMOS 器件及電阻連接到電池，并將柵極引出線連接至 LTC6803 的 S 引腳，就可在電池電壓偏差較大時(shí)，通過控制 S 端的開斷來控制 MOS 的導(dǎo)通，對電壓較高的電池進(jìn)行放電，直到電壓恢復(fù)到允許的范圍，實(shí)現(xiàn)整組電池的均衡，如圖 2。

每個(gè) LTC6803 芯片可用來測量 12 節(jié)串聯(lián)電池的電壓，并能通過 SPI 菊鏈方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片串聯(lián)，易于擴(kuò)展和維護(hù)，且?guī)缀醪恍枰褂酶綦x器或者光耦合器進(jìn)行信號隔離。

電池管理系統(tǒng)信號采集單元的軟件設(shè)計(jì)，主要是為了實(shí)現(xiàn)以下三點(diǎn)功能。

第一，LTC6803 與 MCU 之間的功能銜接，即 SPI 總線通信功能；

第二，MCU 與 CD4067B 兩者相互之間的數(shù)據(jù)信息傳輸，即以實(shí)現(xiàn)溫度信號傳輸為主的功能設(shè)置；

第三，內(nèi)部電池包與整個(gè)控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸、通信功能。

在以上三項(xiàng)功能設(shè)置上，相對最為復(fù)雜的是 SPI 總線通信的實(shí)現(xiàn)過程。在具體設(shè)計(jì)上，首先需要讀取電池信號，并對 SPI、LTC6803 等進(jìn)行初始化設(shè)置。其中，SPI 初始化即對引腳的功能、數(shù)據(jù)的傳輸格式和傳輸頻率予以初始化設(shè)置；而對 LTC6803 初始化是為了判斷寫 CFGR 寄存器是否成功。待初始化 / 設(shè)置寄存器之后，則使用已構(gòu)建成功并擁有通信傳輸功能的LTC6803 來繼續(xù)讀取電池電壓，并由 MCU 來發(fā)送 LTC6803 地址。

電池管理系統(tǒng)對電池組實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，具有充放電保護(hù)，電壓均衡，SOC 計(jì)算等功能，從而保證鋰電池的安全使用并延長使用壽命，對提高電動(dòng)車性能有重大意義?；?LTC6803的電池管理系統(tǒng)，其信號采集單元性能穩(wěn)定、精度高，能夠?yàn)殡姵鼐?、荷電狀態(tài)估算和電壓監(jiān)控提供精確數(shù)據(jù)。