基于LTC6802 的电池组监控平台的电路设计

　　摘要：应用美国Linear Technology 公司推出的电池组监控芯片LTC6802,设计了一套可用于锂离子电池组的监控平台。该系统单板可实现对多达12 节串联单体电池的监控，可采用分布式结构实现对更多单体的监控。本系统设计实现的功能包括单体电压采集、单体温度采集、电池组被动均衡以及分布式CAN 通信等。LTC6802 的主要特点在于其电压采集高，并具有较高的集成度，在电池应用设备中特别是在纯电动/ 混合动力汽车中具有良好的应用前景。

　　随着环境和能源问题日益严峻，电动汽车及混合动力汽车（EV/HEV）已经成为了当今世界关注的焦点。蓄电池是EV的动力环节，但其单体端电压及容量都较小，比如广泛应用的磷酸铁锂（LiFePO4）电池端电压一般不超过3.65 V,因此常需多单体串并联组合使用来满足车辆的需求[1-3].对于车载电池包而言，一个功能完备的监控系统是非常必要的。目前国内的电池组监控设备存在两大问题：一是电池电压检测不高，二是电池组均衡控制的实现较复杂。针对这些问题，本文应用Linear Technology 公司新推出的电池组监控芯片LTC6802,设计了一套面向锂离子电池组的硬件监控平台。该平台设计实现的功能包括单体电压/ 温度检测、电池组均衡以及分布式CAN 通信等。

　　1 电池组监控芯片LTC6802 简介

　　LTC6802-1 是一款专门用于电池组监控的芯片，每片可以检测多达12 个串联连接的单体电池电压，输入总电压高达60V,可以通过分布式总线结构或直接将芯片串联的方式来实现对更多串联单体电池的电压检测。此外，LTC6802-1 还具有以下特性：

　　（1）具有12 位ADC,电压采集高，可达5~8 mV;（2）具有被动均衡功能，可通过片内（或外部扩展的）MOSFET开关对过压的单体进行放电；（3）1 MHz 可与SPI 兼容的串行通信接口；（4）具有较强的抗电磁干扰能力。

　　总的来看，LTC6802 具有较全面的电池组监控功能，芯片集成度高，并具有较高的电压采集，主要应用场合除了EV/HEV 以外，还包括高功率便携设备电源管理以及备用电池组系统的监控。

　　2 电池组监控平台设计

　　2.1 电池监控系统整体结构

　　电池组监控平台的整体结构如图1 所示。本平台设计采用分布式CAN 总线结构，首先，LTC6802 用于实现对单体电压的采集以及串联电池组的被动均衡控制；主控芯片负责接收来自LTC6802 的电压采集信息，并对LTC6802 的相关参数进行设置，此外MCU 还用于实现电池包节点温度以及电流的采集；MCU 将电池包的组态信息发送到CAN 通信网络。

图1 电池组监控平台整体结构

　　2.2 LTC6802 与MCU 的连接电路设计

　　LTC6802 的外围电路及其与微控制器之间的连接电路如图2 所示。本电路中MCU 选取的是Freescale 系列单片机MC9S08DZ60,其主要功能是进行电流和温度采集、接收来自LTC6802 的信息并将电池包组态信息发送到分布式CAN 通信网络中。

图2 LTC6802 与MCU 的连接电路

　　LTC6802 可通过其自身与SPI 兼容的串行接口实现与MCU 的通信。对于LTC6802 而言，CSBI 为片选信号；SDO 为串行数据输出；SDI 为串行数据输入；SCKI 为串行时钟输入。

　　此外，为了保证通信过程稳定可靠，本设计中还引入了静电干扰抑制电路，见图2 中的D7-D15.该电路由8 个二极管和一个齐纳二极管组成，实际也可以采用专用的ESD 静电保护器件PRTR5V0U4D 来实现。

　　MCU 的另一项任务是将电池包组态信息发送到CAN 通信网络中。在此本设计选取了CAN 隔离驱动芯片ISO1050,见图2 中的U1.为了进一步提高CAN 通信的抗干扰性能，在平台的CAN 输出端还采用了瞬态电压抑制芯片PSM712.

　　2.3 电压采集及均衡电路设计

　　LTC6802 主要的功能是实现对电池组内单体电压的检测以及在单体过压状态下的均衡控制。LTC6802 具有12 位ADC,可实现对多达12 节串联单体的电压检测，芯片外围的电压采集电路也比较简单，只需将单体的正负极分别接入芯片对应的单体电压输入端即可，为了抑制电压信号中的高频噪声，电路中还加入了RC 低通滤波环节。此外，LTC6802 还具有MOSFET 驱动输出能力，该驱动输出端内置了10k 的上拉电阻，可用于驱动外部MOSFET.

　　对于串联电池组中的单体n 而言，其对应的电压采集电路和均衡控制电路如图3 所示，其中上图为电压采集电路，下图为均衡控制电路。图中CELLn 和CELLn-1 分别接到单体n的正极和负极；Cn 和Cn-1 为LTC6802 电压采集输入端；DCn为LTC6802 的MOSFET 驱动输出端。当单体n 出现过压时，Q1 将导通对其放电，放出的电能会消耗在电阻R1 上。

　　2.4 温度采集电路设计

　　电池包节点温度也是组态信息中的重要参数。在本平台中，节点温度的检测由MCU 实现，设计每个单体取一个节点，共计可实现对12 个节点的温度检测。温度采集电路如图4 所示，图中给出了节点1 的连接电路。首先，设计中选取热敏电阻RT103 作为温度传感原件，将温度信号转换为电压信号；接着，电压信号输入模拟开关器件CD4067D,可通过MCU 配置其ABCD 四个控制端对输入信号进行选通，并由其公共端即管脚1 输出；，模拟开关输出的信号经RC 滤波及限幅处理后输入到MCU 的AD 输入端，节点温度采集得以实现。

图3 电压采集及均衡电路

图4 温度采集电路

　　3 结论

　　本文基于电池监控芯片LTC6802 以及Freescale 系列微控制器MC9S08DZ60,设计了一套面向串联锂离子电池组的监控平台。论文结合芯片特点及平台应用场合，分别对电压检测电路、均衡控制电路、温度采集电路、SPI 通信及CAN 通信电路进行了具体的设计。该平台充分利用了LTC6802 集成度高、电压采集高以及抗干扰能力强的特点，很大程度上改善了传统的电池监控电路存在的电压采集差和电路结构复杂的问题。可以断言， 在EV/HEV 产业中，这种基于LTC6802 的电池组监控平台具有很强的应用价值和良好的应用前景