LTC6802在锂离子电池组均衡电路中的应用

摘要：该文介绍了LTC680221芯片在锂离子电池组均衡电路中的应用，设计的均衡电路以电池电压为均衡判据，利用LTC680221芯片采集电压、温度，Atmega16L单片机通过SpI方式读取电池组的电压和温度值，并进行相应均衡管理和电池组保护。

本文基于LTC680221锂离子电池组管理芯片设计的电池组均衡电路，由取电系统、嵌入式处理器、LTC680221数据采集及均衡电路四部分构成，电路框图如图1所示。

取电系统是均衡电路的供电来源，电源取自锂离子电池组，并供应给低功耗嵌入式处理器与LTC680221芯片。嵌入式处理器时均衡电路的核心，一方面通过SpI接口与LTC680221进行通信，另一方面对获得的数据进行简单的处理。数据采集电路重要由LTC680221芯片构成，该芯片内置了高精度AD转换器，结合外部滤波电路可以对锂离子电池组参数实现精确得采样。LTC680221芯片均衡接口的特殊设计，能够控制外部均衡电路进行工作，简化了均衡电路。

LTC680221最多能够管理12节串联的锂离子电池组，以万向电动汽车有限公司生产的WX11I3215锂离子电池为例，单体电池在使用过程中电压在2.8—3.8V变化，12节WX11I3215串联的锂离子电池组在使用过程中电池组总电压的变化范围在33.6—45.6V。均衡电路中嵌入式处理器Atmega16LLTC680221均使用5V直流电源供电，因此取电系统的输出电压选择为5V。由于均衡电路中采用的都是低功耗芯片，取电系统的输出功率选择5W。基于上述取电系统的宽电压输入的特殊性，本文中取电系统采用单片开关电源芯片TOpSwitch设计了一种具有输入电压范围宽的开关电源。

本文选用Atmel公司的AVR系列处理器Atmega16L，该芯片具有16kb的在线编程Flash程序存储器、512字节EEpROM、2kbSRAM、32个通用工作寄存器、32个通用I/O口，还具有SpI、USART等丰富的外设。同时，At2mega16L芯片具有低功耗贴片封装可满足低功耗均衡电路的设计要求，芯片丰富的内部资源及接口可以完成锂离子电池组管理系统的各种功能。Atmega16L通过SpI总线与LTC680221进行通信。

LTC680221芯片SpI工作模式固定为CpHA=1，CpOL=1，字节发送高位在先，可以支持主机最大SpI移位频率到1MHz。因此，在Atmega16L的SpI驱动函数编写中SpI外设控制寄存器要有相同的配置。

本文设计的均衡电路中Atmega16L通过SpI总线读取各电池电压的AD转换值，然后对电池电压进行排序，选择出最高电压所对应的电池，接着发送指令控制LTC680221对均衡电路进行操作。软件流程如图2所示。

LTC680221芯片内置12位模数转换器，集成了多路模拟开关和高精度基准源。芯片内置的AD转换器能够通过内部集成的多路模拟开关采集到电池组内单体电池的电压，不要复杂的分压网络，从而方便了采集电路的设计。如图3所示，LTC680221对各单体电池电压信号分别通过RC低通滤波连接至LTC680221的C（n）引脚。RC低通滤波器消除了电压信号中的高频分量，使得采集的数据更加稳定可靠。

LTC680221芯片除了电压采集还具备均衡控制功能。本文设计的均衡电路如图3所示，该电路重要由开关管和功率电阻组成，LTC680221通过控制开关管来实现高电压电池的电量释放。

LTC680221硬件配置根据在级联结构中的位置可以分为3类：底层、中间层、顶层。底层指的是最低电位电池组模块所对应的LTC680221，顶层指最高电压电池组对应的LTC680221，而中间层是电压值夹在中间的其他电池组模块对应的LTC680221。3种位置在外围电路配置上是有差异的，具体表现在VMODE、SDO、TOS3个管脚，如表1所示进行配置。其他硬件管脚在菊花链中的连接固定不变。

在实验室条件下，对Atmega16L接收到的电压数据与高精度电压表UNI2TUT805直接测量数据进行比较，实验中对4个通道的精度做了比较，如表2所示，LTC680221各个通道的测量误差小于10mV。

本文设计的基于LTC680221均衡电路在实验室条件下做了0.2C恒定电流放电测试。测试中选择4节pL603759锂离子电池串联的电池组，放电负载选用型号为IT8513B的可编程电子负载仪。使用均衡电路前电池组放电曲线如图4所示，使用LTC680221均衡电路后电池组放电曲线如图5所示，比较可以发现，均衡前单体电池最大压差接近70mV，均衡后最大压差接近20mV，使用了均衡电路后电池组内单体电池的能量一致性有比较明显的改善。

采用LTC680221的均衡电路在4节电池组应用中得到测试，测试结果表明：本文设计的LTC680221均衡电路构成的锂离子电池均衡电路具有元件需求少、所占空间小、均衡效果好，可靠性高等优点，具有较高的实用价值。