肖 融，田 侃

應(yīng)用研究

基于LTC6804的模塊化電池檢測單元

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)測模塊化 分布式 電池管理系統(tǒng)

0 引言

隨著社會對氣候問題越來越關(guān)注，水路運(yùn)輸在減少排放上承受著越來越大的壓力與愈發(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，在純電動船舶與混合動力電推進(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程中會時(shí)刻變化，同時(shí)電池在使用過程中受到環(huán)境的影響，內(nèi)外部因素均會對電池的使用帶來安全隱患，主要包含電池組過充、過放和電池組高溫[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)化延長其使用壽命。電池管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測電池組的單體電芯電壓、溫度和電流，并依檢測數(shù)據(jù)判斷并執(zhí)行保護(hù)，防止過充、過放等故障對電池造成不可逆的損傷[3]。

船舶用動力電池規(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，多針對車用動力電池，船用電池的應(yīng)用場景有所區(qū)別。針對船舶電池的特點(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)簡單且易于擴(kuò)展的分布式電池檢測單元。

1 電池檢測單元架構(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，電池檢測單元應(yīng)具有如下特性[6-8]：

1）對外使用高可靠性的總線式通訊；

2）檢測電池組內(nèi)各單體電芯的電壓；

3）檢測電池組的溫度；

4）具備檢測更多串?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)。

檢測單元對外通訊總線使用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)。

檢測電池組單體電芯電壓，可使用多個電子開關(guān)與差分放大器檢測多串電池可消除共模誤差，達(dá)到高精度檢測[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芯片。LTC6804芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)采用兩個數(shù)據(jù)選擇器（MUX）、兩個差分放大器與兩個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。同時(shí)其內(nèi)置均衡電路，可通過檢測接口直接進(jìn)行均衡。LTC6804芯片可以菊花鏈形式多片相連測量更多串電池組，使用配套的LTC6820芯片對外進(jìn)行SPI通訊。

考慮到電池組工作溫度一般低于80℃，可使用熱電阻檢測電池組或電池單體溫度。

2 電池監(jiān)測單元硬件設(shè)計(jì)

為滿足電池檢測單元所需功能需求，設(shè)計(jì)其基本框架如圖1所示，基本思路為對外盡量使用總線式的連接。同時(shí)將檢測單元中的微處理器芯片（MCU）與電池檢測芯片（LTC6804）分別布置在兩塊電路板上，利用LTC6804的特性可將多塊檢測板掛載在一塊控制板上。此模塊化設(shè)計(jì)可針對不同電池組，靈活組合出滿足需求的電池監(jiān)測系統(tǒng)?；九渲脼?塊控制板上掛載1塊檢測板，完成對12串電池的單體電壓與單體溫度檢測。

檢測單元功能與接口包括：

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

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

3）對外CAN通訊總線；

4）模擬量輸入接口，用于測量熱電阻并轉(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 電池檢測單元系統(tǒng)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 檢測板設(shè)計(jì)

檢測板圍繞LTC6804進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過試驗(yàn)，LTC6804在被檢測串聯(lián)電池組總壓高于11V時(shí)可無需外部電源，由電池組直接供電。若使用外部電源對檢測板進(jìn)行供電，考慮到供電質(zhì)量對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)。考慮鋰離子電池截止電壓較高，且船用電池規(guī)模較大，使用中可通過設(shè)計(jì)電池成組方式避免截止電壓低于11V，故在檢測板上使用電池組自取電，避免電源模塊帶來的可靠性下降、成本上升與體積增大的問題。

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，減少兩個接地之間線路對采樣的影響。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

溫度檢測部分使用100K阻值、B值3435的NTC作為溫度傳感器?？刂瓢迳鲜筂CU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)，通過操作系統(tǒng)分時(shí)調(diào)度進(jìn)行多任務(wù)處理。電池檢測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、故障判斷、數(shù)字量IO對外控制等一系列功能。

圖5 檢測單元基本軟件流程圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對電池檢測單元進(jìn)行單板測試，可在10ms內(nèi)完成對12個串聯(lián)單體電芯的電壓檢測，100ms內(nèi)通過多路復(fù)用完成12個溫度的檢測。

使用4個電池檢測單元，配合具有CAN通訊功能的主控制器，組成針對48串電池組的電池管理系統(tǒng)?？紤]到溫度為惰性變量，不會產(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

本文基于電池管理芯片LTC6804，設(shè)計(jì)了一個12串的具備分布式特性的電池檢測單元。通過功能測試，檢測單元可在50ms內(nèi)完成對12串電池的單體電芯電壓與單體電芯溫度的檢測并具備較高的檢測精度，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，檢測單元可搭配更多檢測板，擴(kuò)展檢測更多串聯(lián)數(shù)電池組。基于系統(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、新能源動力電池。E-mail：my88036@163.cm