基于LTC6802的磷酸鐵鋰電池采集系統(tǒng)

摘要：設計一種基于電池監(jiān)測芯片LTC6802的磷酸鐵鋰動力電池組狀態(tài)采集系統(tǒng)。采用嵌入式微處理器MC9S08DZ32對12串電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并通過CAN(Controller Area Network)總線上傳到主機。文中對系統(tǒng)的整體結構和工作原理進行了介紹，并給出了具體的硬件和軟件設計方案。
關鍵詞：LTC6802；MC9S08DZ32；磷酸鐵鋰動力電池組；監(jiān)測系統(tǒng)

引言
    隨著新能源和環(huán)境污染問題在全球經(jīng)濟發(fā)展過程中被高度關注，作為清潔能源的動力電池越來越受到重視。磷酸鐵鋰動力電池以其壽命長、使用安全、可大電流2C快速充放電、耐高溫、容量大、無記憶效應、綠色環(huán)保的優(yōu)點在工業(yè)和交通領域得到了快速應用。電池的工作狀態(tài)是應用中的關鍵環(huán)節(jié)，基于嵌入式技術的動力電池狀態(tài)智能采集系統(tǒng)也成了技術研究的熱點。傳統(tǒng)的電池工作狀態(tài)采集芯片支持的鋰電芯串聯(lián)只數(shù)較少，例如廣泛應用于筆記本電池電芯工作狀態(tài)采集的bq2060、bq2085最多支持4只鋰電芯串聯(lián)。而動力電池多作為動力源應用，一般要100只左右電芯串聯(lián)，例如純電動客車電池需要108只磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)。若采用傳統(tǒng)的電池工作狀態(tài)采集芯片，所需芯片的數(shù)量將很大，會大大增加成本。所以世界上著名的芯片制造商都開始開發(fā)支持十幾只鋰電芯串聯(lián)的采集芯片。Linear公司開發(fā)的LTC6802是一種專用的電池狀態(tài)監(jiān)測芯片，能測量高達12只串聯(lián)電芯電壓，13 ms完成所有電芯電壓檢測，整體測量誤差小于0．25％，具有高電磁兼容能力、低功耗的優(yōu)點。
    本文采用LTC6802采集12只串聯(lián)電芯電壓。微處理器MC9S08DZ32利用SPI總線讀取LTC6802采集的串聯(lián)電芯的電壓，并控制LTC6802對任意一只電芯進行均衡。同時，利用內(nèi)置ADC對12只串聯(lián)電芯的表面溫度進行采集，通過CAN總線將采集到的12只電芯的電壓、溫度以及均衡狀態(tài)上傳到上級控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測12只電芯的工作狀態(tài)。以此為基本系統(tǒng)，利用多個基本系統(tǒng)實現(xiàn)對大數(shù)量電池串聯(lián)構成的電池組的狀態(tài)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)組成和工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
    本文研究的串聯(lián)磷酸鐵鋰動力電池組采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)12只動力電池的在線監(jiān)測。該系統(tǒng)包括以LTC6802為核心的電芯電壓采集和均衡部分，以及以MC9S08DZ32為核心的溫度采集和CAN總線通信部分，如圖1所示。

1．2 工作原理
    監(jiān)測系統(tǒng)應用LTC6802采集連接其上的12只電芯的電壓，使用SPI總線完成MC9S08DZ32和LTC6802的通信，讀取采集到的電壓值。通過緊貼在每只電池外殼上的熱敏電阻NTC來獲取12只電芯的表面溫度，并根據(jù)讀取到的12只電芯的電壓、溫度決定12只電芯的均衡電路的開關，通過SPI設置LTC6802相應寄存器來啟動關閉均衡。整個系統(tǒng)由嵌入式芯片實現(xiàn)集中控制和動力電池組的在線監(jiān)測。
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2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 電壓采集和均衡部分
   電壓采集部分以LTC6802為核心。LTC6802是Linear公司推出的一款完整的電池監(jiān)視IC，它內(nèi)置1個12位ADC、1個精準電壓基準、1個高電壓輸入多工器和1個串行接口。每個LTC6802能夠在輸入共模電壓高達60 V的情況下測量多達12個串接電池的電壓，而且可把多個LTC6802器件串聯(lián)起來以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓。通過運用一個獨特的電平移位串行接口，能夠把多個器件以菊鏈式連接起來，無需使用光耦合器或光隔離器。每個電池輸入均具有一個相關聯(lián)的MOSFET開關，用于對過充電電池進行放電。單片機可以通過SPI總線從LTC6802讀取數(shù)據(jù)，并控制相應電池輸入的MOSFET的導通和關閉，以實現(xiàn)電芯均衡。為了保護LTC6802電壓采集引腳，防止電壓高出最大輸入電壓，在每一個電芯采集輸入端口并聯(lián)一個6．2 V穩(wěn)壓管，并在每個電壓采集引腳前加阻容濾波電路，從而有效地濾除高頻干擾，保證電壓采集的正確性。磷酸鐵鋰動力電池組采集系統(tǒng)的采集電路如圖2所示。

2．2 溫度采集和CAN總線通信部分
    溫度采集部分采用CD4067，以電阻分壓方式將溫度量轉變成電壓量供MC9S08DZ32內(nèi)置ADC采集。CD4067是一款數(shù)字控制的多路模擬開關，具有開啟電阻低、關斷漏電流小和內(nèi)部進行地址解碼的優(yōu)點，且在全輸入范圍內(nèi)開啟電阻相對穩(wěn)定。CD4067通過4個二進制控制引腳A、B、C、D和1個Inhibit引腳來選擇16個引腳中的一個與common引腳連通。MC9S08DZ32通過控制A、B、C、D以及Inhibit引腳電平狀態(tài)來順序采集12路NTC電阻分壓值，進而通過軟件計算出相應的電阻值，再通過NTC電阻阻值和溫度的對應關系計算出溫度值。由于NTC電阻的電阻值和溫度值呈指數(shù)關系，所以在軟件設計中采用了分段線性化的方法來提高溫度采集的精度。
    該部分以MC9S08DZ32為核心。MC9S08DZ32是Freescale公司的32引腳8位微處理器，芯片體積小功能強大。內(nèi)部有32 KB Flash存儲器和2 KB的EEPROM在線可編程內(nèi)存，支持8字節(jié)單頁或4字節(jié)雙頁擦除分區(qū)；執(zhí)行Flash程序的同時可進行編程和擦除操作；支持擦除取消操作最大4 KB的隨機存取內(nèi)存(RAM)。此外，它還具有如下特點：24通道，12位分辨率，2．5μs轉換時間，并具有自動比較功能內(nèi)部ADC；內(nèi)部集成的CAN模塊支持CAN協(xié)議V2．O A／B；支持標準和擴展數(shù)據(jù)幀；支持遠程幀；具有5個帶有FIFO存儲機制的接收緩沖器和靈活的接收識別符過濾器；內(nèi)部SPI支持全雙工或單線雙向；雙重緩沖發(fā)射和接收；具有主從模式選擇；支持高位優(yōu)先或低位優(yōu)先的移位。[!--empirenews.page--]
    MC9S08DZ32通過SPI總線與LTC6802進行通信，讀取采集到的電壓值，并根據(jù)各只電池的電壓、溫度確定需要均衡的電池。然后，通過SPI設置LTC6802相應寄存器來啟動關閉均衡，同時通過CAN總線將電壓、溫度數(shù)據(jù)及均衡狀態(tài)上傳到上級控制系統(tǒng)。本文采用的CAN芯片為ISO105 0，該芯片集成度高，使用方便，簡化了CAN總線通信部分的硬件設計。

3 系統(tǒng)軟件設計
    在軟件設計中，MC9S08DZ32與LTC6802之間的SPI通信是最為關鍵的一步。因為只有保證可靠的通信，MC9S08DZ32才能夠控制LTC6802進行電芯電壓采集以及控制均衡電路的開啟和關閉。為了實現(xiàn)SPI通信，首先要清楚LTC6802的讀寫時序。LTC6802的讀時序如圖3所示，寫時序如圖4所示。

    由讀寫時序可見，每個字節(jié)發(fā)送時都是高位先發(fā)送。寫時序中，SDI引腳的邏輯狀態(tài)在SCKI的上升沿被鎖存。讀時序中，在SCKI的上升沿SDO引腳的邏輯狀態(tài)是有效的。另外需要注意的是，LTC6802的時鐘相位和極性要求：LTC6802的SPI接口被配置為工作在CPHA=1和CPOL=1的模式下。根據(jù)LTC6802的讀寫時序和MC9S08DZ32內(nèi)部SPI的工作方式，可以寫出MC9S08DZ32 SPI初始化函數(shù)、向LTC6802中寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)以及從LTC9802中讀取一組數(shù)據(jù)函數(shù)的C語言代碼。
    (1)MC9S08DZ32 SPI初始化函數(shù)
   
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    (2)向LTC6802中寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)
   
    (3)從LTC6802中讀取一組數(shù)據(jù)函數(shù)
   
    MC9S08DZ32主要通過調(diào)用這3個最基本的函數(shù)，實現(xiàn)對LTC6802的一系列高級讀寫控制。監(jiān)控軟件的整體流程如圖5所示。首先對系統(tǒng)時鐘進行初始化，接著對單片機內(nèi)部集成的CAN、SPI、ADC以及LTC6802的各項參數(shù)進行初始化。循環(huán)從LTC6802讀取12支電池電壓和均衡狀態(tài)，利用ADC讀取12只電池溫度，根據(jù)電壓和溫度設置電芯的均衡電路工作狀態(tài)，并通過CAN總線上傳數(shù)據(jù)給上一級控制器，實現(xiàn)監(jiān)測功能。

4 結論
    本文采用Freescale公司的MC9S08DZ32和Linear公司的LTC6802設計了磷酸鐵鋰動力電池組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能采集12只串聯(lián)動力電池電芯的電壓和溫度，對電芯進行均衡，并通過高速的CAN總線上傳待測電芯的電壓、溫度以及均衡狀態(tài)。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)的電壓采集精度為±4 mV，溫度采集誤差為±1℃。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有重要的應用價值。