基于LTC6804的模塊化電池檢測(cè)單元

肖 融，田 侃

應(yīng)用研究

基于LTC6804的模塊化電池檢測(cè)單元

肖 融，田 侃

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文設(shè)計(jì)了一種基于LTC6804電池管理芯片的12串電池檢測(cè)單元，作為分布式、模塊化電池管理系統(tǒng)（BMS）的基本單元。詳細(xì)描述了電池檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)思路，包含系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、器件選型、硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)模塊化的電池檢測(cè)單元可擴(kuò)展性高、配置靈活性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用在電池監(jiān)控與管理領(lǐng)域。

LTC6804 電池監(jiān)測(cè)模塊化 分布式 電池管理系統(tǒng)

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)氣候問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，水路運(yùn)輸在減少排放上承受著越來(lái)越大的壓力與愈發(fā)嚴(yán)苛的法規(guī)[1]。在此基礎(chǔ)上，新能源逐漸開(kāi)始在船舶領(lǐng)域推廣使用，其中鋰電池因其高性能與高比能，在純電動(dòng)船舶與混合動(dòng)力電推進(jìn)船舶中得到了廣泛應(yīng)用。隨著鋰電池的使用場(chǎng)景快速增加，電池的管理系統(tǒng)重要性日益體現(xiàn)。由于電化學(xué)反應(yīng)的難以控制和活性材料在使用過(guò)程中會(huì)時(shí)刻變化，同時(shí)電池在使用過(guò)程中受到環(huán)境的影響，內(nèi)外部因素均會(huì)對(duì)電池的使用帶來(lái)安全隱患，主要包含電池組過(guò)充、過(guò)放和電池組高溫[2]。因此，在使用鋰電池組的同時(shí)，必須配備電池管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，以確保電池組的安全運(yùn)行，并幫助優(yōu)化延長(zhǎng)其使用壽命。電池管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的單體電芯電壓、溫度和電流，并依檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷并執(zhí)行保護(hù)，防止過(guò)充、過(guò)放等故障對(duì)電池造成不可逆的損傷[3]。

船舶用動(dòng)力電池規(guī)模較大，往往達(dá)到數(shù)MWh規(guī)模，當(dāng)前大規(guī)模的電池管理系統(tǒng)相關(guān)的研究有很多，多針對(duì)車用動(dòng)力電池，船用電池的應(yīng)用場(chǎng)景有所區(qū)別。針對(duì)船舶電池的特點(diǎn)，本文基于LTC6804芯片與CAN總線，設(shè)計(jì)了一款功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于擴(kuò)展的分布式電池檢測(cè)單元。

1 電池檢測(cè)單元架構(gòu)設(shè)計(jì)

船用電池規(guī)模較大，并朝著分布式的方向發(fā)展，即多個(gè)電池單元獨(dú)立運(yùn)行并聯(lián)至船上電網(wǎng)[4]。與之同步的是電池管理系統(tǒng)同樣朝著分布式、模塊化且去中心的方向發(fā)展[5]。使用模塊化的電池檢測(cè)單元可有效的增強(qiáng)電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與靈活性[5]。作為分布式BMS的單元，電池檢測(cè)單元應(yīng)具有如下特性[6-8]：

1）對(duì)外使用高可靠性的總線式通訊；

2）檢測(cè)電池組內(nèi)各單體電芯的電壓；

3）檢測(cè)電池組的溫度；

4）具備檢測(cè)更多串?dāng)?shù)電池與溫度的擴(kuò)展能力；

5）可執(zhí)行均衡功能，使單體電芯電壓差在一定范圍內(nèi)。

檢測(cè)單元對(duì)外通訊總線使用CAN總線通訊。CAN通訊作為包含軟件與硬件定義的串口通訊，相較于RS485/232一類無(wú)軟件層面定義的通訊方式具有可靠性高、使用靈活、自校驗(yàn)與自帶總線仲裁等優(yōu)點(diǎn)。

檢測(cè)電池組單體電芯電壓，可使用多個(gè)電子開(kāi)關(guān)與差分放大器檢測(cè)多串電池可消除共模誤差，達(dá)到高精度檢測(cè)[9-10]。但使用分立器件將提高電路復(fù)雜度并因大量元件處于低電應(yīng)力狀態(tài)下導(dǎo)致浪費(fèi)功耗，因此使用工作原理相同的集成式電池檢測(cè)芯片。LTC6804芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)采用兩個(gè)數(shù)據(jù)選擇器（MUX）、兩個(gè)差分放大器與兩個(gè)16bit 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可滿足高精度采樣的要求，精度10mV，并在290μs內(nèi)完成電池組的電壓檢測(cè)。同時(shí)其內(nèi)置均衡電路，可通過(guò)檢測(cè)接口直接進(jìn)行均衡。LTC6804芯片可以菊花鏈形式多片相連測(cè)量更多串電池組，使用配套的LTC6820芯片對(duì)外進(jìn)行SPI通訊。

考慮到電池組工作溫度一般低于80℃，可使用熱電阻檢測(cè)電池組或電池單體溫度。

2 電池監(jiān)測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

為滿足電池檢測(cè)單元所需功能需求，設(shè)計(jì)其基本框架如圖1所示，基本思路為對(duì)外盡量使用總線式的連接。同時(shí)將檢測(cè)單元中的微處理器芯片（MCU）與電池檢測(cè)芯片（LTC6804）分別布置在兩塊電路板上，利用LTC6804的特性可將多塊檢測(cè)板掛載在一塊控制板上。此模塊化設(shè)計(jì)可針對(duì)不同電池組，靈活組合出滿足需求的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基本配置為1塊控制板上掛載1塊檢測(cè)板，完成對(duì)12串電池的單體電壓與單體溫度檢測(cè)。

檢測(cè)單元功能與接口包括：

1）檢測(cè)板及其上電池檢測(cè)芯片，主要包括電壓檢測(cè)芯片以及外圍采樣電路，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)12個(gè)電池單體電壓、5路電池溫度；

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用EEPROM外置閃存，存儲(chǔ)檢測(cè)單元編號(hào)/采樣數(shù)據(jù)；

3）對(duì)外CAN通訊總線；

4）模擬量輸入接口，用于測(cè)量熱電阻并轉(zhuǎn)化為電池溫度數(shù)據(jù)；

5）數(shù)字量IO接口，可用于拓展，如連接分立的單線溫度傳感器，或控制外置的大電流均衡電路。

圖1 電池檢測(cè)單元系統(tǒng)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)板設(shè)計(jì)

檢測(cè)板圍繞LTC6804進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，LTC6804在被檢測(cè)串聯(lián)電池組總壓高于11V時(shí)可無(wú)需外部電源，由電池組直接供電。若使用外部電源對(duì)檢測(cè)板進(jìn)行供電，考慮到供電質(zhì)量對(duì)芯片模擬量采樣造成的影響，需使用隔離電源并考慮電源接地設(shè)計(jì)?？紤]鋰離子電池截止電壓較高，且船用電池規(guī)模較大，使用中可通過(guò)設(shè)計(jì)電池成組方式避免截止電壓低于11V，故在檢測(cè)板上使用電池組自取電，避免電源模塊帶來(lái)的可靠性下降、成本上升與體積增大的問(wèn)題。

在印制板設(shè)計(jì)上，將LTC6804電源供電地與芯片模擬地引腳間的線路設(shè)計(jì)的盡可能短，減少兩個(gè)接地之間線路對(duì)采樣的影響。單體電芯采樣電路如圖2所示。

3.2 控制板設(shè)計(jì)

微控制器使用LPC2378，是一款基于ARM的微控制器，頻率72MHz，具有1路以太網(wǎng)，2路CAN，2路個(gè)同步串行端口以及其它常用通信與IO接口。

板上外置閃存選用MX26L6406EMI-12G；SPI通訊收發(fā)器使用LTC6804的配套芯片LTC6820；隔離CAN收發(fā)器選用CTM1051KAT并對(duì)CANG接地設(shè)計(jì)防浪涌保護(hù)。

圖2 單體電芯采樣通道電路

圖3 CAN通訊保護(hù)電路

溫度檢測(cè)部分使用100K阻值、B值3435的NTC作為溫度傳感器。控制板上使MCU自帶的5路ADC接口，并使用1片ADG1606多路復(fù)用器如下圖4擴(kuò)展模擬量采樣接口，總計(jì)設(shè)計(jì)共12路溫度采樣。

圖4 多路復(fù)用與采樣電路

4 軟件設(shè)計(jì)

控制板MCU使用μc/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，通過(guò)操作系統(tǒng)分時(shí)調(diào)度進(jìn)行多任務(wù)處理。電池檢測(cè)單元的基本軟件功能設(shè)計(jì)為如下流程圖5所示，基于時(shí)間分片的多任務(wù)運(yùn)行模式可根據(jù)需要靈活添加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障判斷、數(shù)字量IO對(duì)外控制等一系列功能。

圖5 檢測(cè)單元基本軟件流程圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)電池檢測(cè)單元進(jìn)行單板測(cè)試，可在10ms內(nèi)完成對(duì)12個(gè)串聯(lián)單體電芯的電壓檢測(cè)，100ms內(nèi)通過(guò)多路復(fù)用完成12個(gè)溫度的檢測(cè)。

使用4個(gè)電池檢測(cè)單元，配合具有CAN通訊功能的主控制器，組成針對(duì)48串電池組的電池管理系統(tǒng)。考慮到溫度為惰性變量，不會(huì)產(chǎn)生跳變，在軟件中降低溫度采樣的頻率并進(jìn)行交替采樣以縮短溫度采樣中多路切換所消耗的時(shí)間。最后結(jié)果為電池檢測(cè)單元可50ms完成一次電壓與溫度刷新，溫度采樣精度±2℃，電壓采樣精度±20mV。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于電池管理芯片LTC6804，設(shè)計(jì)了一個(gè)12串的具備分布式特性的電池檢測(cè)單元。通過(guò)功能測(cè)試，檢測(cè)單元可在50ms內(nèi)完成對(duì)12串電池的單體電芯電壓與單體電芯溫度的檢測(cè)并具備較高的檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)了分布式電池管理系統(tǒng)最小單元的基本功能。根據(jù)實(shí)際需求，檢測(cè)單元可搭配更多檢測(cè)板，擴(kuò)展檢測(cè)更多串聯(lián)數(shù)電池組?；谙到y(tǒng)時(shí)間分片的多任務(wù)處理軟件設(shè)計(jì)也可靈活添加各種功能以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)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，助理工程師。研究方向：電池管理、新能源動(dòng)力電池。E-mail：my88036@163.cm