基于LTC6804的模块化电池检测单元
2022-02-22肖融，田侃
肖 融，田 侃
应用研究
基于LTC6804的模块化电池检测单元
肖 融，田 侃
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）
本文设计了一种基于LTC6804电池管理芯片的12串电池检测单元，作为分布式、模块化电池管理系统（BMS）的基本单元。详细描述了电池检测单元的设计思路，包含系统架构设计、器件选型、硬件电路设计与软件设计。试验结果表明，所设计模块化的电池检测单元可扩展性高、配置灵活性强，可广泛应用在电池监控与管理领域。
LTC6804 电池监测模块化 分布式 电池管理系统
0 引言
随着社会对气候问题越来越关注，水路运输在减少排放上承受着越来越大的压力与愈发严苛的法规[1]。在此基础上，新能源逐渐开始在船舶领域推广使用，其中锂电池因其高性能与高比能，在纯电动船舶与混合动力电推进船舶中得到了广泛应用。随着锂电池的使用场景快速增加，电池的管理系统重要性日益体现。由于电化学反应的难以控制和活性材料在使用过程中会时刻变化，同时电池在使用过程中受到环境的影响，内外部因素均会对电池的使用带来安全隐患，主要包含电池组过充、过放和电池组高温[2]。因此，在使用锂电池组的同时，必须配备电池管理系统进行管理，以确保电池组的安全运行，并帮助优化延长其使用寿命。电池管理系统需要实时检测电池组的单体电芯电压、温度和电流，并依检测数据判断并执行保护，防止过充、过放等故障对电池造成不可逆的损伤[3]。
船舶用动力电池规模较大，往往达到数MWh规模，当前大规模的电池管理系统相关的研究有很多，多针对车用动力电池，船用电池的应用场景有所区别。针对船舶电池的特点，本文基于LTC6804芯片与CAN总线，设计了一款功能齐全、结构简单且易于扩展的分布式电池检测单元。
1 电池检测单元架构设计
船用电池规模较大，并朝着分布式的方向发展，即多个电池单元独立运行并联至船上电网[4]。与之同步的是电池管理系统同样朝着分布式、模块化且去中心的方向发展[5]。使用模块化的电池检测单元可有效的增强电池管理系统的可扩展性与灵活性[5]。作为分布式BMS的单元，电池检测单元应具有如下特性[6-8]：
1）对外使用高可靠性的总线式通讯；
2）检测电池组内各单体电芯的电压；
3）检测电池组的温度；
4）具备检测更多串数电池与温度的扩展能力；
5）可执行均衡功能，使单体电芯电压差在一定范围内。
检测单元对外通讯总线使用CAN总线通讯。CAN通讯作为包含软件与硬件定义的串口通讯，相较于RS485/232一类无软件层面定义的通讯方式具有可靠性高、使用灵活、自校验与自带总线仲裁等优点。
检测电池组单体电芯电压，可使用多个电子开关与差分放大器检测多串电池可消除共模误差，达到高精度检测[9-10]。但使用分立器件将提高电路复杂度并因大量元件处于低电应力状态下导致浪费功耗，因此使用工作原理相同的集成式电池检测芯片。LTC6804芯片内部设计采用两个数据选择器（MUX）、两个差分放大器与两个16bit 数模转换器，可满足高精度采样的要求，精度10mV，并在290μs内完成电池组的电压检测。同时其内置均衡电路，可通过检测接口直接进行均衡。LTC6804芯片可以菊花链形式多片相连测量更多串电池组，使用配套的LTC6820芯片对外进行SPI通讯。
考虑到电池组工作温度一般低于80℃，可使用热电阻检测电池组或电池单体温度。
2 电池监测单元硬件设计
为满足电池检测单元所需功能需求，设计其基本框架如图1所示，基本思路为对外尽量使用总线式的连接。同时将检测单元中的微处理器芯片（MCU）与电池检测芯片（LTC6804）分别布置在两块电路板上，利用LTC6804的特性可将多块检测板挂载在一块控制板上。此模块化设计可针对不同电池组，灵活组合出满足需求的电池监测系统。基本配置为1块控制板上挂载1块检测板，完成对12串电池的单体电压与单体温度检测。
检测单元功能与接口包括：
1）检测板及其上电池检测芯片，主要包括电压检测芯片以及外围采样电路，可以实时检测12个电池单体电压、5路电池温度；
2）数据存储，使用EEPROM外置闪存，存储检测单元编号/采样数据；
3）对外CAN通讯总线；
4）模拟量输入接口，用于测量热电阻并转化为电池温度数据；
5）数字量IO接口，可用于拓展，如连接分立的单线温度传感器，或控制外置的大电流均衡电路。
图1 电池检测单元系统框图
3 硬件电路设计
3.1 检测板设计
检测板围绕LTC6804进行设计。经过试验，LTC6804在被检测串联电池组总压高于11V时可无需外部电源，由电池组直接供电。若使用外部电源对检测板进行供电，考虑到供电质量对芯片模拟量采样造成的影响，需使用隔离电源并考虑电源接地设计。考虑锂离子电池截止电压较高，且船用电池规模较大，使用中可通过设计电池成组方式避免截止电压低于11V，故在检测板上使用电池组自取电，避免电源模块带来的可靠性下降、成本上升与体积增大的问题。
在印制板设计上，将LTC6804电源供电地与芯片模拟地引脚间的线路设计的尽可能短，减少两个接地之间线路对采样的影响。单体电芯采样电路如图2所示。
3.2 控制板设计
微控制器使用LPC2378，是一款基于ARM的微控制器，频率72MHz，具有1路以太网，2路CAN，2路个同步串行端口以及其它常用通信与IO接口。
板上外置闪存选用MX26L6406EMI-12G；SPI通讯收发器使用LTC6804的配套芯片LTC6820；隔离CAN收发器选用CTM1051KAT并对CANG接地设计防浪涌保护。
图2 单体电芯采样通道电路
图3 CAN通讯保护电路
温度检测部分使用100K阻值、B值3435的NTC作为温度传感器。控制板上使MCU自带的5路ADC接口，并使用1片ADG1606多路复用器如下图4扩展模拟量采样接口，总计设计共12路温度采样。
图4 多路复用与采样电路
4 软件设计
控制板MCU使用μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系统，通过操作系统分时调度进行多任务处理。电池检测单元的基本软件功能设计为如下流程图5所示，基于时间分片的多任务运行模式可根据需要灵活添加数据存储、故障判断、数字量IO对外控制等一系列功能。
图5 检测单元基本软件流程图
5 试验验证
对电池检测单元进行单板测试，可在10ms内完成对12个串联单体电芯的电压检测，100ms内通过多路复用完成12个温度的检测。
使用4个电池检测单元，配合具有CAN通讯功能的主控制器，组成针对48串电池组的电池管理系统。考虑到温度为惰性变量，不会产生跳变，在软件中降低温度采样的频率并进行交替采样以缩短温度采样中多路切换所消耗的时间。最后结果为电池检测单元可50ms完成一次电压与温度刷新，温度采样精度±2℃，电压采样精度±20mV。
6 结语
本文基于电池管理芯片LTC6804，设计了一个12串的具备分布式特性的电池检测单元。通过功能测试，检测单元可在50ms内完成对12串电池的单体电芯电压与单体电芯温度的检测并具备较高的检测精度，实现了分布式电池管理系统最小单元的基本功能。根据实际需求，检测单元可搭配更多检测板，扩展检测更多串联数电池组。基于系统时间分片的多任务处理软件设计也可灵活添加各种功能以适应不同应用场景。
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LTC6804 based modular battery monitor unit design
Xiao Rong, Tian Kan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM912
A
1003-4862（2022）02-0052-03
2021-11-17
肖融(1996-)，男，助理工程师。研究方向：电池管理、新能源动力电池。E-mail：my88036@163.cm
