LTC6802检测串联电池组电压电路设计

2014-07-05冯乾化春雨朱炯施辉伟云南电网公司北京能源新技术研究中心北京00084燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

电源技术 2014年2期

冯乾，化春雨，朱炯，施辉伟(.云南电网公司北京能源新技术研究中心，北京 00084；.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004)

冯乾1，化春雨2，朱炯1，施辉伟1
(1.云南电网公司北京能源新技术研究中心，北京 100084；2.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004)

介绍了串联电池组电压管理芯片LTC6802-2的特点和使用方法。分别以51单片机和TMS320LF2407为控制器，从通信的角度详细探讨在硬件设计和软件设计上应注意的问题，实现LTC6802-2对串联电池组电压的检测。并通过实验数据分析，验证了此方法的有效性。

串联电池组；电压检测；LTC6802；锂电池

随着全球能源危机的加重，电能以其卓越的优势霸占了能源的大部分市场。同时，许多形式的新能源不断涌出，如风能、太阳能、核能和热能等，但是这些能源大都转换成电能的形式进行传输和使用。然而，电能也有其致命的缺点，也就是存储问题。目前，通常是根据负荷需要控制发电量，也就是用电和发电尽量保持平衡。但是，随着经济的发展和人们要求的提高，我们需的电能储备也越来越多，这对能量的存储带来了严峻的考验。首先，各发电场合以及发电维护场合通常需要一定的电量储备，以维持设备的出现发电和供电故障情况下的正常供电。其次，一些重要负荷也要保障短时间断电时正常供电，这也需要一些电量储备。第三，随着石油危机的到来，传统能源汽车收到巨大的挑战，汽车也向电动汽车发展，而电动汽车最大的瓶颈也是电能的存储问题。

随着这一系列问题的出现，电池作为目前最主要的储能工具，近几年得到蓬勃发展，特别是锂电池备受人们的关注。然而单体电池电压比较低，储能比较少，通常需要串联组成电池组使用。串联电池组存在电量管理问题，需要对其进行电压、电流、温度的检测以及剩余电量的估计和个单体间能量的均衡。其中，对于串联电池组电压的检测方法有很多，传统的方法主要有飞度电容法、电阻分压法、V/F转换法、光耦隔离检测法以及运算放大器和模拟器件转换抑制共模电压检测法，但是这些方法电路都比较复杂，实施起来比较麻烦[1]。文中选用凌力尔特(Linear)公司开发的一款串联电池组管理芯片LTC6802能够较方便地实现串联电池组的电压检测。同时，它还具有电池的过充和过放电保护、自身的温度检测保护和对电池组的均衡能力。

1 LTC6802-2介绍

LTC6802-2内部含有12位的AD转换器，精密电压基准，高电压输入多路转换器和SPI串行接口。每个芯片可以检测12节串联在一起的电池。同时，芯片还支持串联使用，最多可以将16个芯片串联在一起使用，即最多可以检测12×16=192节电池串联组成的电池组。每个AD的转换范围为0～5 V，因此每个芯片的检测串联电池组电压可达60 V。另外，LTC6802-2在LTC6802-1的基础上进行了改进，增加了4位的外部编址接口A0～A3，可对其进行编址，方便了对某一指定检测单元的单独操作。另外，LTC6802-2还具有高温保护功能，电池过充过放电状态监视，电量均衡功能[2-4]。

LTC6802-2有三种工作模式：待机模式、测量模式和监事模式。上电默认为待机模式，此模式下，只有串口和5 V的稳压基准源处于工作状态，其他所有电路均不工作。必须通过串口通信，对LTC6802-2进行配置才可以启动其他电路，此时可向CFGR0的CDC[2:0]位写入非0的值使其退出待机模式，LTC6802-2退出待机模式后VREF引脚可以检测到3.075 V的脉冲基准电压信号，否则检测电压为0 V，这可以作为判断串口通信成功的检测依据。

2 硬件设计

本文主要以51单片机和TMS320LF2407为主控器，分别介绍他们的硬件接口电路，并分析调试过程中遇到的问题。

2.1 51 单片机与LTC6802-2的通信接口

图1给出了以51单片机为控制器的控制电路，在保证电路正常工作条件下，外围电路以最简单的形式给出。如果电池选用大容量动力电池，则要考虑加钳位保护电路，防止C引脚出现大的电流而损坏芯片。因为51单片机和LTC6802-2的通信接口均为5 V工作电压，在只有一片LTC6802-2接入时，可以不加隔离器件，直接进行串口通信。

图1 51单片机与LTC6802-2的连接电路

51单片机的SPI串行通信接口使用P1.0～P1.3来模拟，模拟SPI接口时需要注意，该接口没有做其他的扩展用途，如果接有其他的扩展电路，在进行SPI通信时要进行屏蔽，否则有可能对串行通信造成干扰，导致无法正常通信。

2.2 TMS320LF2407与LTC6802-2的通信接口

TI公司的TMS320LF2407内部自带SPI串行通信模块，利用此模块可以简单地实现DSP与LTC6802-2的通信。通信中需要注意的是，通用SPI模块一般是每进行一次读写操作CS引脚就分别给出相应的片选信号，但根据LTC6802-2的时序需求，每次片选有效时，都要进行多次的读写操作。因此，此处不能使用SPI模块的片选，实验中选取DSP的PB4来给定片选信号。

设计中需要注意的另一点是数字隔离器件的选取。因为LTC6802-2的5 V基准电源的驱动能力比较弱，最大只能提供负载4 mA的电流，所以选择数字隔离器件时必须选择低功耗器件，否则，功耗过大将导致LTC6802-2芯片发热，基准电源电压下降，当降至4.1 V时，芯片将无法正常工作。本文选取ADUM1411[5]，它是ADI公司开发的一款超低功耗4通道数字隔离芯片，复合此处SPI通信的需求，并且功耗低，最高通信速度可达到10 M，也满足通信的需求。图2是TMS320LF2407 与LTC6802-2的工作电路。

3 软件设计

软件设计中主要需注意的是SPI通信的时序要与LTC6802-2的时序相匹配，时钟频率必须小于1 M，通信模式按照LTC6802-2的规定CPHA=1和CPOL=1(其时序图如图3)，但是由于TMS320LF2407的SPI通信模式与标准定义的差别，TMS320LF2407的通信模式应该设为PHASE=0和POLARITY=1。另外，需要注意的是由于TMS320LF2407自带SPI通信模块式的特点所限，在进行读取数据操作时需要虚发操作，已启动时钟，才能正常读取数据。

图2 TMS320LF2407与LTC6802-2的连接电路

图3 LTC6802-2的通信时序图

因为LTC6802-2支持多次的连续读写操作，因此，通信过程中选取通用I/O作SPI通信的CS片选信号，而不是直接用SPI模块的片选信号引脚。使用LTC6802-2进行电压转换前需要先对其进行初始化，即写配置寄存器组CFGR0～CFGR5。读数据时要先发送要读取的LTC6802-2的地址(由A0～A3引脚接线确定)，然后发送读数据指令，再进行读操作。其操作写控制寄存器步骤如下：(1)拉低CSBI；(2)发送写配置寄存器命令；(3)发送配置寄存器数据(CFGR1，CFGR2，…CFGR5)；(4)抬高CSBI。

读取电压数据操作步骤如下：(1)拉低CSBI；(2)发送要读取的LTC6802地址；(3)发送读电压命令；(4)发送电压寄存器中电压数据(CVR00，CVR01，…CVR17，PEC)；(5)抬高CSBI。在读取电压过程中，如果电池电压有较大的变化或波动会使LTC6802复位，进入上电默认待机状态，此时读取电压寄存器的值是不变的，为最后一次测量值，因此每次读电压时尽量进行一次初始化配置，具体读电压流程如图4。

软件设计上，51单片机模拟SPI通信与通用的模拟程序类似，下面主要介绍以TMS320LF2407的SPI接口进行通信的软件设计。

(1)初始化，程序如下：

图4 读电压流程图

文中给出的初始化数据是只测量12接单体数据的情况下配置数据，根据系统需要，如果要对电池的过充电和过放电状态进行监控或连接电池少于12节，可以对CFGR0～CFGR5进行进一步的设置。

4 测量结果分析

对于电压检测，稳定度非常重要。稳定度越高，说明系统检测也准确，误差也越小。因为LTC6802-2内部是12位的AD，最小检测步长是1.5 mV，对检测电压保留三位小数，对12节锂离子电池的测量数据进行记录，测量结果如表1。

表1 12节锂离子电池电压测量数据表

对检测的电压值求方差，可以看到方差几乎为0，也就是说，检测电压比较稳定，而且检测精度较高。

5 结论

利用LTC6802-2检测串联电池组电压，单体电池串联数量多，电路结构简单，测量速度快，测量精度高，能满足一般的检测需求。另外，LTC6802-2是一款电池管理芯片，还具有温度保护功能，检测电池过充和过放电状态，还能对串联电池组进行均衡控制，只需要增加简单的外围电路和寄存器配置即可实现这些功能。因为实现了电池电压的检测，可以通过控制器判断电池的过充和过放电状态，从而进行更好的均衡电池电量，所以文中并没有对这些功能进行详细研究。但是，利用这种方法测量电池的电压，对更好地监视电池的充放电状态和能量均衡具有非常重要的意义。

[1]蔡群英，张维戈，王占国.车用动力锂电池组的测量与均衡方法分析[J].电源技术，2011，35(4):449-451．

[2]Linear Technology Corporation.Datasheets of multicell addresssable battery stack monitor LTC6802[M].USA：Linear Technology Corporation，2009．

[3]毛群辉.基于TMS320F2812的电动汽车电池管理系统研究[D].湖南：湖南大学，2010：37-40.

[4]张金顶，王太宏，龙泽，等.基于MSP430单片机的12节锂电池管理系统[J]．电源技术，2011，35(5):514-516．

[5]AN Shi-qi,QI An-ning,ZHU Yu-wei.Design and realization of SPI interface in lithium-ion battery voltage measuring system[C]//The 6th International Conference on Computer Science&Education, Singapore：ICCSE 2011:3-5.

Circuit design of LTC6802 detecting series battery voltage

FENG Qian1,HUA Chun-yu2,ZHU Jiong1,SHI Hui-wei1

The characteristics and the using method of battery management chip LTC6802-2 of series battery pack were introduced.The controller was 51SCM and TMS320LF2407.The problem in hardware design and software design should be noted from the communication point of view.The voltage detection of series battery pack with LTC6802-2 was achieved.The effectiveness of this method through the analysis of experimental data was verified.

series battery pack;voltage detection;LTC6802;lithium battery

TM 131

1002-087 X(2014)02-0252-03