LTC6803在鎳氫電池儲(chǔ)能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外的電池管理系統(tǒng)方而研究更多集中于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)作為電池儲(chǔ)能電站的關(guān)鍵部分，我國(guó)大多電池公司在此方面的技術(shù)研發(fā)也是剛剛起步。文獻(xiàn)中提出了一種適用于大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的鋰離子電池管理系統(tǒng)，從分層管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和管理角度進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。其它主要國(guó)家（如美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家）在儲(chǔ)能這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了研發(fā)布局，相關(guān)技術(shù)研發(fā)和示范活動(dòng)進(jìn)展迅速。

本工作從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，儲(chǔ)能電池選用了退役后的電動(dòng)公交車鎳氫動(dòng)力電池系統(tǒng)的部分電池，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)。由LTC6803進(jìn)行整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓、溫度信息的采集以及電池組均衡功能的控制。

1、儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)

本工作設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)電池管理側(cè)架構(gòu)如圖1所示，從功能上可分為采集、控制和處理及外設(shè)3個(gè)基本單元。其中單片機(jī)系統(tǒng)選用了Freescale16位MC9S12XEG128作為微控制器，采集單元包括電池組電壓采樣、溫度采樣；電流控制單元包括電池組均衡控制和繼電器控制；處理及外設(shè)單元主要負(fù)責(zé)單片機(jī)信號(hào)處理及通訊外設(shè)等其它模塊的控制。

LTC6803以其高采樣精度、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)越性在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域廣泛使用，因此選用電源管理專用芯片LTC6803作為電池組電，H≤和溫度的采樣前端，它集成了12路電壓采樣和2路溫度采樣，同時(shí)具備可控的電池均衡開(kāi)關(guān)，在必要時(shí)均衡電池以保持電池的一致性。

2、電源管理芯片LTC6803硬件電路設(shè)計(jì)

2.1、LTC6803基本原理圖與簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)中，圖2中C0連接電池組的負(fù)端，C1～C12為電壓采集端口，S1～S12為均衡用開(kāi)關(guān)；GPIO。和VTEMP。引腳連接溫度采集模塊。需要注意的是，LTC6803的供電完全由電池組提供，不需控制板配置供電電路，如果連接至隔離式電源時(shí)，可簡(jiǎn)單通過(guò)斷開(kāi)引腳V關(guān)斷LTC6803。

2.2、通信設(shè)計(jì)

LTC6803具有一個(gè)SPI總線兼容型串行端口，單片機(jī)可以通過(guò)該總線與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且單片機(jī)通過(guò)配置LTC6803內(nèi)部相應(yīng)寄存器實(shí)時(shí)對(duì)電池組的電壓、溫度信息進(jìn)行采集以及電池均衡電路的控制。圖1中，SPI信號(hào)隔離電路采用具有4路高速通道的隔離芯片ADuM3150，保證SPI信號(hào)的傳輸穩(wěn)定。

2.3、電壓采樣硬件設(shè)計(jì)

LTC6803即可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池模組電壓，該芯片可在13ms完成一個(gè)系統(tǒng)巾所有電池的測(cè)量。電壓采樣前端電路圖如圖3所示（只標(biāo)示了其中一組），在電池電壓信號(hào)進(jìn)入LTC6803芯片之前，電感MM22012R121A（該型號(hào)可抑制最人電流為800mA）可抑制電池的浪涌電流；后面的電阻和0.1uF/50V電容構(gòu)成RC濾波電路。為了減小誤差，該濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于后端LTC6803的測(cè)量時(shí)間，則該誤差可忽略不計(jì)。

其中R=100Q，C=O.luF，則時(shí)問(wèn)常數(shù)t=10-5s。LTC6803測(cè)量1節(jié)電池的電壓所需要的時(shí)間為t=1.2ms，所以時(shí)間常數(shù)T《t，因此符合設(shè)計(jì)要求。

穩(wěn)壓二極管PD26-2B可防止電壓擊穿影響后端芯片，其T作電壓范圍6.06V《Vz《6.33V，電池組單個(gè)模組BATn電壓范圍3.0V《Vz《4.5V，兇此符合要求。

2.4、溫度采樣硬件設(shè)計(jì)

LTC6803可讀取外部溫度傳感器信號(hào)，它有兩個(gè)ADC通道（VTEMP1和VTEMP2），可監(jiān)視位丁電池包內(nèi)部的NTC熱敏電阻傳感器。由于只有兩路VTEMP的ADC通道，為了監(jiān)測(cè)更多點(diǎn)的溫度，設(shè)計(jì)了8路（圖中只表明了其中1路）NTC測(cè)試點(diǎn)。

如圖4所示，溫度采樣中使用的熱敏電阻在常溫下（25℃）阻值大約為10k歐（溫度探頭的輸入點(diǎn)為T(mén)EMP。），因此分壓電阻取Ri=（10±0.1%）K，從而保證進(jìn)去LTC6803的電壓值在其采樣范圍內(nèi)（0～VREGO）。采樣后端電阻R2（這里取R2=100Q）作為限流電阻保護(hù)后端電路。

為了擴(kuò)充為8路溫度采樣，設(shè)計(jì)中采用了雙通道4：1多路復(fù)用器74HC4052擴(kuò)充了信號(hào)采集點(diǎn)（圖5）。注意，由于VREGO處于始終保持接通的狀態(tài)，因而選擇緩沖運(yùn)算放大器LT6004以實(shí)現(xiàn)低功耗。如表1所示通過(guò)邏輯電平控制管腳SO、S1，可選取對(duì)應(yīng)通道。

3、采樣環(huán)節(jié)軟件設(shè)計(jì)

LTC6803的關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于通信設(shè)計(jì)，采樣數(shù)據(jù)的傳輸主要通過(guò)SPI總線方式，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行SPI初始化過(guò)程中，要求通信過(guò)程中時(shí)鐘頻率在1MHz以內(nèi)，SPI時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位保證CPOL=1和CPHA=1，這兩點(diǎn)在進(jìn)行SPI初始化過(guò)程中要注意。

同時(shí)，LTC6803的各種操作均由內(nèi)部寄存器的命令代碼進(jìn)行控制。尤其是它的配置寄存器，只要寫(xiě)入新的配置位，就需要重新進(jìn)行LTC6803初始化操作。

3.1、LTC6803初始化程序流程圖

LTC6803的配置寄存器組共有6個(gè)8位子配置寄存器（CFGRO-CFGR5），由于不能按位進(jìn)行讀寫(xiě)，所以每次對(duì)該寄存器某位進(jìn)行操作時(shí)（比如溫度采樣過(guò)程中，需要通過(guò)修改寄存器CFGRO中的GPI01和GPI02位來(lái)變換74HC4052中的SO和Sl），都需要刷新整個(gè)寄存器組，即重新初始化該芯片內(nèi)的寄存器。芯片初始化成功與否，通過(guò)得到寫(xiě)入與回讀的值進(jìn)行比較返回標(biāo)志位Init_Flag，初始化程序流程圖如圖6所示。

3.2、LTC6803采樣程序流程圖

啟動(dòng)電壓、溫度采樣之前，首先保證LTC6803的初始化正常（即Init_Flag=l）。結(jié)束檢測(cè)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)AD與實(shí)際值Ux（單位：mV）的轉(zhuǎn)換公式Ux=（ADx-512）&TImes;VLSB進(jìn)行轉(zhuǎn)換并存入待處理的變量中，其中VLSB=1.5mV。電壓和溫度采樣程序流程圖如圖7、圖8所示。

4、實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

4.1、實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)所選用儲(chǔ)能電池為某公司新能源公交車使用后的鎳氫動(dòng)力電池組，如圖9所示，本圖只顯示了20塊單體電池，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。其中圖10為系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

4.2、LTC6803與電池檢測(cè)芯片AD7280A測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)分別通過(guò)LTC6803和AD7280A兩個(gè)專用芯片以及常用分布式采樣方案（分布式采樣方案是將福祿克4位半數(shù)字萬(wàn)用表作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示（測(cè)量數(shù)據(jù)只展現(xiàn)前6個(gè)模組電壓及總電壓數(shù)據(jù)）。

5、結(jié)論

文章詳細(xì)介紹了專用芯片LTC6803在儲(chǔ)能系統(tǒng)中軟件和硬件的應(yīng)用方法，同時(shí)對(duì)比其它電源管理方案的各方面性能，表現(xiàn)出其優(yōu)越性，展示出其簡(jiǎn)單性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)儲(chǔ)能管理系統(tǒng)的要求監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，保證儲(chǔ)能類系統(tǒng)在無(wú)人值守的地方穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。