单体电池电压采集硬件电路设计
eeskill 2022-09-30

随着新能源和环境污染问题在全球发展过程中被高度关注,作为清 洁 能源的动 力 电池越 来 越受到重视。锂离子电池 以 其能 量 密 度 高、平 均输出电 压高、输出功率大、循环性能优越、可快速充放电、无记忆效应等特点,将成为未 来 电动汽车 动 力 电 池 的市场主力。一个有效的电池管理系统能对动力电池进行保护、延长其使用寿命及提高行驶里程,是电动汽车产业发 展 和 推 广 的 一 项 非 常 关 键 的 系 统 工程。在串联的动力电池组中,单体锂电池的电池状态,如电压和温度的监测,是电池管理系统中的关键组成部分。单体电压的数据最为丰富,能够表 征电池组内每一个单体状态和特征的物理量,还可 以反应电池组整体的状态,如一致性等。此外,对单体电池进行监测,还能防止过冲和过放。因此,电池单体电压采集对采集的准确性和实时性都有比较高的要求。

分别对电池的单体测量方法进行了总结,包括电阻分 压、光 耦 隔 离 运 放、利用线性 光电耦合器进行 模 拟 信号传 导,以及模拟 开 关 配 合电容传输模拟 信 号 的方案等 方 法。此 外,市 场 上已出现单体电 池 测 量专用 芯片,如世界 上 著 名 的芯片厂 商 Linear公 司 开 发 的 LTC6803芯 片,内 部自带多路选通开关 ADC,可以在13ms内完成多达12个串联电池的电压的测量,最大总测量误差为0.25%。

本文采用两片 LTC6803级联方式采集24只单体锂离子电池电压,单 片 机 利 用 SPI 总 线 启 动LTC6803电压测量并读取电压。

系统组成与工作原理系统组成

本文研究的串联的锂离子电池采集系统能够实现24只动力电池的在线单体电压监测。该系统主要包括以 LTC6803为核心的单体电压采集部分,以及以 MC9S12C32为 核 心 的 SPI通 信 和 CAN 通 信部分,还有一些外围电路。

LTC6803是 Linear公司的第二代的完整电池监视IC,内置一个12位的 ADC、一个精准型电压基准、一个高电压输入多路 复 用 器 和一 个 串 行 SPI接口。每个 LTC6803能够测量多达12个串接电池或者超级电筒的电压。通过一个独特的电位移位接口可以把多个 LTC6803器件串联起来,而无需光耦隔离器,以监视长串的串联电池中的每只单体电压。每个电池输入都具有一个相关联的 MOSFET 电源开关,用于过度充电的电池进行放电。LTC6803还提供了一种用于将电源电流减小至12μA 的 待 机模式。LTC6803 采 用 SPI(SerialPeripheralInter-face)方式与外部 MCU 通信,具有高抗 EMI以及低功耗能力。其结构原理图如图1所示:

MC9S12C32是 Freescale公 司 的 一 款48引 脚16位的单片机,功 能 强大、资源丰富。内部有32KFlash,8通道的10位 ADC,1路SPI模块,1路支持CAN2.0 A 和 CAN2.0B 的 CAN 模 块,6 通 道PWM,8通道的16位定时器模块,满足本文单体电压采集系统对 MCU 的需求。

工作原理

MC9S12C32 通 过 SPI 总 线 来 启 动 两 片LTC6803采集 并 读 取 24 只串联的单体电池的电压。采集系统与上级控制系统通过 CAN 总 线 通信,实现对动力电池单体电压的在线监测,并实现对采集系统的休眠与启动控制。整个采集系统通过MC9S12C32的定时器来实现对电压的测量,CAN信息的发送以及错误的判断等的时序控制。

电压采集硬件电路设计

电压采集功能是由两片 LTC6803实 现 的。在本文的采集系 统 中,未 开 启 LTC6803的 均 衡 功 能、以及 GPIO、TEMP 引脚的温度采集功能。 两 片LTC6803可 采 用 并 联,亦可采用菊花 链式连接。LTC6803通 过IS07421,实 现 电 池 与 MCU 之 间 的电气 隔 离;LTC6803与 MC9S12C32通 过 SPI方 式进行通信。LTC6803电压采集电路如图2所示:

当两片LTC6803使用菊花链式串联连接时,片选端只需 MCU 的一个IO 口即可,三个二极管需焊

接,顶 端 LTC6803 的隔离芯片可不焊,顶 端LTC6803的 TOS引脚拉高,Vmode引脚拉低,底端LTC6803的 TOS引脚拉低,Vmode引脚拉高;当两片 LTC6803使用并联方式 连接时,片选端 需 MCU两个IO 口,两 片 隔 离 芯 片 需 接 入,去 除 三 个 二 极管,两片6803的 TOS引 脚 均 拉 低、Vmode引 脚 均拉高。

由于 LTC683具有内置噪声滤波器的 ΔΣ转换器,抗 EMI的能力 也 较 高,故无需使用其他的信号调理电路。由于本文中的电池管理系统暂时还未具有充电均衡管理功能,故将6803的均衡引脚做悬空处理,不使用其放电控制功能。

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