LTC6802在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用分析
1 引言
電池的正常使用是電動(dòng)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(yán)重危害， 因此必需對電池組中的每節(jié)電池進(jìn)行嚴(yán)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(shí)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(yīng)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(shí)， 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(shí)監(jiān)測全部電池電壓或單獨(dú)監(jiān)測串聯(lián)電池中的任一節(jié)電池。芯片采用獨(dú)特的電平移動(dòng)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(shí)可同時(shí)工作， 全部串聯(lián)電池的電壓測量時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。芯片每個(gè)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(shí)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(yàn)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(zhǔn)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(fù)端， 與電池組總負(fù)相連; VTEMP1, VTEMP2:溫度傳感器輸入端; VREF: 3. 075電壓基準(zhǔn); VREG:線性電壓基準(zhǔn); 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(shí)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(zhǔn)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(gè)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(gè)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(gè)階段， 自動(dòng)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(gè)S輸出管腳內(nèi)部均與N 溝道MOSFET 相連。內(nèi)部MOS管最大導(dǎo)通電阻為20歐。當(dāng)采用內(nèi)部均衡時(shí)， 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(dòng)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(jìn)行控制，芯片自身無法控制。
2. 4. 3 開路檢測
LTC6802具有獨(dú)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(rèn)為是有效電壓值。
如圖3所示， 當(dāng)外部電路沒有濾波環(huán)節(jié)時(shí)， 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(shí)狀態(tài)是否為開路。例如， 當(dāng)C3斷開時(shí)， 與C3連接的兩節(jié)電池B3、B4讀數(shù)接近于0。此時(shí)主機(jī)可通過命令開啟LTC6802設(shè)置在AD于V - 之間的電流源。如C3 實(shí)際處于斷開狀態(tài)， 則再次讀取數(shù)據(jù)時(shí)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(dāng)外部增加RC 濾波環(huán)節(jié)時(shí)，開路部分不會產(chǎn)生0 電壓值， 因?yàn)锳D 輸入阻抗過大不足以對輸入管腳所接的電容放電。當(dāng)C3 斷開時(shí)， 經(jīng)過幾個(gè)測量周期， AD 輸入電阻對CF3、CF4充電。C3電位接近C2與C4中點(diǎn)。此時(shí)B3、B4的測量值并非實(shí)際值。如此時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(hù)
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(shí)， 測量精度逐漸下降。在接近150度時(shí)， 芯片損壞， 無法正常工作。
因此推薦芯片工作時(shí)最大核心溫度為125度。
為保護(hù)芯片避免由于過熱而導(dǎo)致的損壞， 芯片內(nèi)部包含有過溫保護(hù)電路。在開啟放電開關(guān)對電池大電流放電時(shí)以及在頻繁使用電流模式通訊時(shí)， 芯片均有可能出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。當(dāng)在芯片電源正負(fù)端加較大電壓或者系統(tǒng)整體導(dǎo)熱性能不佳的情況下， 過熱現(xiàn)象更為嚴(yán)重。
過溫保護(hù)電路工作在非備用模式下， 當(dāng)芯片檢測到自身溫度大于145度時(shí)， 命令寄存器中的值將復(fù)位到默認(rèn)值， 同時(shí)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(dòng)清零。
由于過溫會中斷芯片的正常工作， 因此應(yīng)利用內(nèi)部溫度監(jiān)視器實(shí)時(shí)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(biāo)志寄存器四組寄存器組。通過相應(yīng)的讀寫命令對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行訪問。通過配置命令寄存器可設(shè)置電池測量節(jié)數(shù)， 電池電壓測量時(shí)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(shí)序
芯片通過SPI串行接口進(jìn)行訪問。訪問時(shí)序如圖5所示。CSB I是串行端口允許使能端， 它由主機(jī)控制; 它在一次數(shù)據(jù)傳送開始時(shí)拉低， 在傳輸結(jié)束時(shí)又重新拉高。SCLK 是串行端口時(shí)鐘信號， 它由主機(jī)控制。寫命令時(shí)SD I輸入需在SCLK 上升沿時(shí)保持穩(wěn)定。讀取數(shù)據(jù)時(shí)SDO在SCLK上升沿有效。
如兩秒鐘無時(shí)鐘信號輸入， 看門狗定時(shí)器輸出將被置低， 命令寄存器復(fù)位， 芯片進(jìn)入低功耗的備用模式。此時(shí)， 除串行接口及電壓基準(zhǔn)源外芯片其他功能禁用。
圖5 SPI訪問時(shí)序圖
3 電壓檢測應(yīng)用實(shí)例
3. 1 硬件設(shè)計(jì)
由于芯片可以以級聯(lián)的方式工作， 因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意根據(jù)芯片在串聯(lián)組中的位置將相應(yīng)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(yīng)的Vmode與V - 相連。當(dāng)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(yīng)用實(shí)例
[!--empirenews.page--]3. 2 軟件設(shè)計(jì)
芯片可級聯(lián)工作， 當(dāng)芯片串聯(lián)使用時(shí)， 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(shí)， 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(shí)序， 如此可以使應(yīng)用更加靈活。下面是通過對LTC6802的操作來實(shí)現(xiàn)對電壓的測量。在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用中采用Freescale S12系列單片機(jī)， 通過IO 口模擬SPI來對傳感器進(jìn)行訪問。為了說明問題給出了兩個(gè)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(shí)際應(yīng)用中， 測量全部電池的時(shí)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(shí)間、低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其在針對電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)中得到了良好的應(yīng)用。
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