基于LTC6803的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙波+徐垚

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于LTC6803的鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）。系統(tǒng)由鋰電池監(jiān)控、鋰電池充電管理、控制器、LCD顯示和鋰電池組。并實(shí)際制作了樣機(jī)，測試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：BMS；電池管理系統(tǒng)；LTC6803

0 引言

鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電小的特點(diǎn)[1]。然而，由于單個鋰電池的內(nèi)部特性不一致，如果沒有一種有效的充放電管理方案，將不可避免地導(dǎo)致動力鋰電池組中某個或某幾個鋰電池過充過放，而其他的鋰電池則總處于“饑餓”狀態(tài)，不但不能發(fā)揮出動力鋰電池組的最大功效，而且將嚴(yán)重地縮短鋰電池組的壽命，甚至有可能發(fā)生爆炸。所以，一種可靠優(yōu)良的動力鋰電池組的充放電管理方案對于鋰電池的推廣應(yīng)用意義重大[2]。目前，國內(nèi)外對于鋰離子電池組均衡控制的研究主要分為電池組的電量管理系統(tǒng)研究、電池組的均衡管理系統(tǒng)研究和電池組的狀態(tài)管理系統(tǒng)研究三大部分[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于LTC6803的鋰電池管理系統(tǒng)，使用松下的18650型鋰電池，LTC6803采樣單體電池的電壓，采用主動均衡實(shí)現(xiàn)各個單體之間的均衡。采用BQ24610設(shè)計(jì)了DC/DC方式的鋰電池充電管理。并實(shí)際制作了樣機(jī)，測試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由鋰電池監(jiān)控、鋰電池充電管理、控制器、LCD顯示和鋰電池組組成。其中鋰電池監(jiān)控采用LTC6803-4，控制器采用C8051F040，鋰電池充電管理采用BQ24610，LCD顯示采用1602標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示，鋰電池組采用Panasonic的NCR18650A。S1和S2分為作為鋰電池監(jiān)控和鋰電池充電管理的切換。

各部分的主要功能如下：

（1）鋰電池監(jiān)控：采用Linear Technology公司的鋰電池監(jiān)控芯片LTC6803-4，該芯片最多可以測量12 Cell的鋰電池。鋰電池監(jiān)控主要完成鋰電池電壓測量，過壓欠壓檢測，以及電阻均衡放電控制。

（2）鋰電池充電管理：鋰電池充電管理采用Texas Instruments公司的鋰電池充電管理芯片BQ24610。該芯片最多可以對6 Cell的鋰電池進(jìn)行充電。充電接口用于外部電壓的輸入，對鋰電池組進(jìn)行充電。

（3）控制器：控制器采用Silicon Labs的C8051F040，控制器主要完成對鋰電池監(jiān)控、鋰電池充電管理以及繼電器切換的控制。控制器與鋰電池監(jiān)控采用SPI接口進(jìn)行通信，控制鋰電池監(jiān)控芯片LTC6803-4完成電壓測量、過壓過放以及電阻均衡放電控制。控制器與鋰電池充電管理采用GPIO進(jìn)行通信，控制鋰電池充電管理芯片BQ24610完成鋰電池的充電，充電狀態(tài)指示?？刂芁CD1602顯示，完成BMS信息的顯示，以及各種系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行指示。

（4）LCD顯示：LCD顯示采用標(biāo)準(zhǔn)LCD1602，該LCD可以顯示2行，16列，一共32個字符。用于顯示BMS信息，包括各個Cell的電壓，過壓過放顯示等。

（5）鋰電池組：鋰電池組采用Panasonic的NCR18650A，該鋰電池具有3100mAh容量。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池充電管理電路設(shè)計(jì)

鋰電池充電管理電路如圖2所示。BQ24610是德州儀器公司生產(chǎn)的具有系統(tǒng)電源選擇和低靜態(tài)電流的獨(dú)立、同步、開關(guān)模式鋰或者鋰聚合物電池充電器。BQ24610使用方便，設(shè)計(jì)時只需要完成：（1）用電阻分壓器設(shè)定BQ24610的引腳ISET1、引腳ISET2和引腳ACSET的電壓，從而分別設(shè)定鋰電池充電曲線中的快充電流、預(yù)充電流和啟動動態(tài)電源管理的電流。用電阻分壓器設(shè)定引腳VFB的電壓，從而設(shè)定鋰電池充電曲線中的充電電壓；（2）BQ24610屬于同步Buck控制器，設(shè)計(jì)時通過Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中輸入電容、輸出電容、電感和MOSFET的參數(shù)計(jì)算，選擇滿足設(shè)計(jì)需求的輸入電容、輸出電容、電感和MOSFET。（3）此外，還包括用來實(shí)現(xiàn)動態(tài)電源管理的三個MOSFET的選擇，分別是引腳ACDRV驅(qū)動的兩個背靠背的MOSFET和引腳BATDRV驅(qū)動的一個MOSFET，設(shè)計(jì)時需綜合考慮燃料電池的電壓電流和鋰電池的電壓電流，選擇滿足設(shè)計(jì)需求的MOSFET。

2.2 鋰電池監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

鋰電池監(jiān)控電路如圖3所示。包括鋰電池監(jiān)控芯片LTC6803-4，以及P Channel和功率電阻構(gòu)成的電阻放電電路。該電路最多可以同時對12 Cell的鋰電池進(jìn)行監(jiān)控。LTC6806-4左邊為MOSFET控制開關(guān)的電阻放電電路，共12組。圖中33R電阻為功率電阻，用于對單體電池進(jìn)行電阻放電。發(fā)光二極管和475R電阻構(gòu)成LED指示燈電路，當(dāng)LTC6803-4控制MOSFET導(dǎo)通時，LED指示燈亮，MOSFET截止時，LED指示燈滅。3.3K、100R、0.1uF以及N Channel MOSFET RQJ0303PGDQA構(gòu)成MOSFET開關(guān)電路，LTC6803-4控制MOSFET導(dǎo)通與否，控制單體電池對功率電阻放電，從而實(shí)現(xiàn)電阻均衡。

LTC6803-4 Pin 1V+是電源供電引腳，輸入電壓54V，R45和C9構(gòu)成RC濾波電路。32 Pin VREG是線性電壓調(diào)整輸出引腳，必須外接一個1uF的旁路電容。Pin 31 VREF是3.065V電壓參考輸出，必須外接一個1uF的旁路電容。CSBI、SDO、SDI和SCKI是SPI接口，連接到控制器的SPI接口。由于系統(tǒng)只采用一片LTC6803-4，因此，A0、A1、A2和A3連接到地，將地址固定為0。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于LTC6803的鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）。系統(tǒng)由鋰電池監(jiān)控、鋰電池充電管理、控制器、LCD顯示和鋰電池組。并實(shí)際制作了樣機(jī)，測試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖湘寧，陳征，劉念.可再生能源與電動汽車充放電設(shè)施在微電網(wǎng)中的集成模式與關(guān)鍵問題[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（2） ：1-14.

[2] 陳淵睿，伍堂順，毛建一.動力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2009，33（8）：666-670.

[3] 楊書華，鄒鵬，石文榮，等.鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（11）：60-66.