LTC6802檢測串聯電池組電壓電路設計

馮乾，化春雨，朱炯，施輝偉(.云南電網公司北京能源新技術研究中心，北京 00084；.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島 066004)

LTC6802檢測串聯電池組電壓電路設計

馮乾1，化春雨2，朱炯1，施輝偉1
(1.云南電網公司北京能源新技術研究中心，北京 100084；2.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島 066004)

介紹了串聯電池組電壓管理芯片LTC6802-2的特點和使用方法。分別以51單片機和TMS320LF2407為控制器，從通信的角度詳細探討在硬件設計和軟件設計上應注意的問題，實現LTC6802-2對串聯電池組電壓的檢測。并通過實驗數據分析，驗證了此方法的有效性。

串聯電池組；電壓檢測；LTC6802；鋰電池

隨著全球能源危機的加重，電能以其卓越的優勢霸占了能源的大部分市場。同時，許多形式的新能源不斷涌出，如風能、太陽能、核能和熱能等，但是這些能源大都轉換成電能的形式進行傳輸和使用。然而，電能也有其致命的缺點，也就是存儲問題。目前，通常是根據負荷需要控制發電量，也就是用電和發電盡量保持平衡。但是，隨著經濟的發展和人們要求的提高，我們需的電能儲備也越來越多，這對能量的存儲帶來了嚴峻的考驗。首先，各發電場合以及發電維護場合通常需要一定的電量儲備，以維持設備的出現發電和供電故障情況下的正常供電。其次，一些重要負荷也要保障短時間斷電時正常供電，這也需要一些電量儲備。第三，隨著石油危機的到來，傳統能源汽車收到巨大的挑戰，汽車也向電動汽車發展，而電動汽車最大的瓶頸也是電能的存儲問題。

隨著這一系列問題的出現，電池作為目前最主要的儲能工具，近幾年得到蓬勃發展，特別是鋰電池備受人們的關注。然而單體電池電壓比較低，儲能比較少，通常需要串聯組成電池組使用。串聯電池組存在電量管理問題，需要對其進行電壓、電流、溫度的檢測以及剩余電量的估計和個單體間能量的均衡。其中，對于串聯電池組電壓的檢測方法有很多，傳統的方法主要有飛度電容法、電阻分壓法、V/F轉換法、光耦隔離檢測法以及運算放大器和模擬器件轉換抑制共模電壓檢測法，但是這些方法電路都比較復雜，實施起來比較麻煩[1]。文中選用凌力爾特(Linear)公司開發的一款串聯電池組管理芯片LTC6802能夠較方便地實現串聯電池組的電壓檢測。同時，它還具有電池的過充和過放電保護、自身的溫度檢測保護和對電池組的均衡能力。

1 LTC6802-2介紹

LTC6802-2內部含有12位的AD轉換器，精密電壓基準，高電壓輸入多路轉換器和SPI串行接口。每個芯片可以檢測12節串聯在一起的電池。同時，芯片還支持串聯使用，最多可以將16個芯片串聯在一起使用，即最多可以檢測12×16=192節電池串聯組成的電池組。每個AD的轉換范圍為0～5 V，因此每個芯片的檢測串聯電池組電壓可達60 V。另外，LTC6802-2在LTC6802-1的基礎上進行了改進，增加了4位的外部編址接口A0～A3，可對其進行編址，方便了對某一指定檢測單元的單獨操作。另外，LTC6802-2還具有高溫保護功能，電池過充過放電狀態監視，電量均衡功能[2-4]。

LTC6802-2有三種工作模式：待機模式、測量模式和監事模式。上電默認為待機模式，此模式下，只有串口和5 V的穩壓基準源處于工作狀態，其他所有電路均不工作。必須通過串口通信，對LTC6802-2進行配置才可以啟動其他電路，此時可向CFGR0的CDC[2:0]位寫入非0的值使其退出待機模式，LTC6802-2退出待機模式后VREF引腳可以檢測到3.075 V的脈沖基準電壓信號，否則檢測電壓為0 V，這可以作為判斷串口通信成功的檢測依據。

2 硬件設計

本文主要以51單片機和TMS320LF2407為主控器，分別介紹他們的硬件接口電路，并分析調試過程中遇到的問題。

2.1 51 單片機與LTC6802-2的通信接口

圖1給出了以51單片機為控制器的控制電路，在保證電路正常工作條件下，外圍電路以最簡單的形式給出。如果電池選用大容量動力電池，則要考慮加鉗位保護電路，防止C引腳出現大的電流而損壞芯片。因為51單片機和LTC6802-2的通信接口均為5 V工作電壓，在只有一片LTC6802-2接入時，可以不加隔離器件，直接進行串口通信。

圖1 51單片機與LTC6802-2的連接電路

51單片機的SPI串行通信接口使用P1.0～P1.3來模擬，模擬SPI接口時需要注意，該接口沒有做其他的擴展用途，如果接有其他的擴展電路，在進行SPI通信時要進行屏蔽，否則有可能對串行通信造成干擾，導致無法正常通信。

2.2 TMS320LF2407與LTC6802-2的通信接口

TI公司的TMS320LF2407內部自帶SPI串行通信模塊，利用此模塊可以簡單地實現DSP與LTC6802-2的通信。通信中需要注意的是，通用SPI模塊一般是每進行一次讀寫操作CS引腳就分別給出相應的片選信號，但根據LTC6802-2的時序需求，每次片選有效時，都要進行多次的讀寫操作。因此，此處不能使用SPI模塊的片選，實驗中選取DSP的PB4來給定片選信號。

設計中需要注意的另一點是數字隔離器件的選取。因為LTC6802-2的5 V基準電源的驅動能力比較弱，最大只能提供負載4 mA的電流，所以選擇數字隔離器件時必須選擇低功耗器件，否則，功耗過大將導致LTC6802-2芯片發熱，基準電源電壓下降，當降至4.1 V時，芯片將無法正常工作。本文選取ADUM1411[5]，它是ADI公司開發的一款超低功耗4通道數字隔離芯片，復合此處SPI通信的需求，并且功耗低，最高通信速度可達到10 M，也滿足通信的需求。圖2是TMS320LF2407 與LTC6802-2的工作電路。

3 軟件設計

軟件設計中主要需注意的是SPI通信的時序要與LTC6802-2的時序相匹配，時鐘頻率必須小于1 M，通信模式按照LTC6802-2的規定CPHA=1和CPOL=1(其時序圖如圖3)，但是由于TMS320LF2407的SPI通信模式與標準定義的差別，TMS320LF2407的通信模式應該設為PHASE=0和POLARITY=1。另外，需要注意的是由于TMS320LF2407自帶SPI通信模塊式的特點所限，在進行讀取數據操作時需要虛發操作，已啟動時鐘，才能正常讀取數據。

圖2 TMS320LF2407與LTC6802-2的連接電路

圖3 LTC6802-2的通信時序圖

因為LTC6802-2支持多次的連續讀寫操作，因此，通信過程中選取通用I/O作SPI通信的CS片選信號，而不是直接用SPI模塊的片選信號引腳。使用LTC6802-2進行電壓轉換前需要先對其進行初始化，即寫配置寄存器組CFGR0～CFGR5。讀數據時要先發送要讀取的LTC6802-2的地址(由A0～A3引腳接線確定)，然后發送讀數據指令，再進行讀操作。其操作寫控制寄存器步驟如下：(1)拉低CSBI；(2)發送寫配置寄存器命令；(3)發送配置寄存器數據(CFGR1，CFGR2，…CFGR5)；(4)抬高CSBI。

讀取電壓數據操作步驟如下：(1)拉低CSBI；(2)發送要讀取的LTC6802地址；(3)發送讀電壓命令；(4)發送電壓寄存器中電壓數據(CVR00，CVR01，…CVR17，PEC)；(5)抬高CSBI。在讀取電壓過程中，如果電池電壓有較大的變化或波動會使LTC6802復位，進入上電默認待機狀態，此時讀取電壓寄存器的值是不變的，為最后一次測量值，因此每次讀電壓時盡量進行一次初始化配置，具體讀電壓流程如圖4。

軟件設計上，51單片機模擬SPI通信與通用的模擬程序類似，下面主要介紹以TMS320LF2407的SPI接口進行通信的軟件設計。

(1)初始化，程序如下：

圖4 讀電壓流程圖

文中給出的初始化數據是只測量12接單體數據的情況下配置數據，根據系統需要，如果要對電池的過充電和過放電狀態進行監控或連接電池少于12節，可以對CFGR0～CFGR5進行進一步的設置。

4 測量結果分析

對于電壓檢測，穩定度非常重要。穩定度越高，說明系統檢測也準確，誤差也越小。因為LTC6802-2內部是12位的AD，最小檢測步長是1.5 mV，對檢測電壓保留三位小數，對12節鋰離子電池的測量數據進行記錄，測量結果如表1。

表1 12節鋰離子電池電壓測量數據表

對檢測的電壓值求方差，可以看到方差幾乎為0，也就是說，檢測電壓比較穩定，而且檢測精度較高。

5 結論

利用LTC6802-2檢測串聯電池組電壓，單體電池串聯數量多，電路結構簡單，測量速度快，測量精度高，能滿足一般的檢測需求。另外，LTC6802-2是一款電池管理芯片，還具有溫度保護功能，檢測電池過充和過放電狀態，還能對串聯電池組進行均衡控制，只需要增加簡單的外圍電路和寄存器配置即可實現這些功能。因為實現了電池電壓的檢測，可以通過控制器判斷電池的過充和過放電狀態，從而進行更好的均衡電池電量，所以文中并沒有對這些功能進行詳細研究。但是，利用這種方法測量電池的電壓，對更好地監視電池的充放電狀態和能量均衡具有非常重要的意義。

[1]蔡群英，張維戈，王占國.車用動力鋰電池組的測量與均衡方法分析[J].電源技術，2011，35(4):449-451．

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

[3]毛群輝.基于TMS320F2812的電動汽車電池管理系統研究[D].湖南：湖南大學，2010：37-40.

[4]張金頂，王太宏，龍澤，等.基于MSP430單片機的12節鋰電池管理系統[J]．電源技術，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

A

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

2013-06-27

馮乾(1981—)，男，山西省人，高級工程師，主要研究方向為微電網控制、保護技術。

化春雨，E-mail：huachunyu2006@163.com