1引言

電池的正常使用是電動汽車能夠安全可靠行駛的重要保證。過度充電或過度放電均會對電池造成嚴重危害，因此必需對電池組中的每節(jié)電池進行嚴格的監(jiān)控。LTC6802是凌力爾特公司推出的一款高度集成的電池監(jiān)測芯片。LTC6802能同時監(jiān)測12節(jié)電池，其外圍電路簡單，在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效地降低了產(chǎn)品成本。同時，其12位的高分辨率也保證了系統(tǒng)的精度要求。

2LTC6802簡介

2.1功能簡介

LTC6802是一款電池監(jiān)測芯片，內(nèi)部包括12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高精度電壓參考源，高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和串行接口。每片LTC6802可測量12節(jié)串聯(lián)電池電壓，最大允許測量電壓60伏?？赏瑫r監(jiān)測全部電池電壓或單獨監(jiān)測串聯(lián)電池中的任一節(jié)電池。芯片采用獨特的電平移動串行接口，多片LTC6802可直接串聯(lián)，芯片之間無需光耦或隔離器件。

多片LTC6802串聯(lián)時可同時工作，全部串聯(lián)電池的電壓測量時間在13ms以內(nèi)。為減小功耗，LTC6802還可對每節(jié)電池的過電壓與欠電壓狀態(tài)進行實時監(jiān)控。芯片每個電池輸入端內(nèi)部連接有MOS開關(guān)用于對過充電池放電。

2.2LTC6802性能概要

0.25%的最大總測量誤差(從-40℃~85℃)

可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)1000V+系統(tǒng)

固有FIR濾波處理電路的delta-sigmaADC

具有數(shù)據(jù)包誤差檢驗功能的1MHz串行接口

用于電池放電的片上FET

溫度傳感器輸入

內(nèi)置精確3V基準和5V穩(wěn)壓器

診斷和故障檢測

2.3引腳介紹

如圖1所示，V+:器件工作電源正端，芯片工作電源由電池提供，V+與電池組總正相連;C12-C1:電池電壓輸入端;S12-S1:電池均衡控制端;V-:電源負端，與電池組總負相連;VTEMp1,VTEMp2:溫度傳感器輸入端;VREF:3.075電壓基準;VREG:線性電壓基準;TOS:芯片在串聯(lián)組中位置選擇端;MMB:監(jiān)控模式選擇端;WDTB:看門狗輸出;GpIO1,GpIO2:通用I/O口;VMODE:通訊模式選擇端;SCKI、SDI、SDO、CSBI:SpI接口;CSBO、SBOI、SCKO:級聯(lián)時與下一級芯片通訊的SpI接口。

圖1LTC6802芯片引腳圖

2.4工作原理

2.4.1delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換

如圖2所示，LTC6802通過輸入多路選擇器將輸入的電池電壓與12位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，內(nèi)部10ppm電壓基準源為LTC6802提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換用的參考源。LTC6802內(nèi)部含有一個二階delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用重建濾波器可以消除轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，從而提供一個高精度的數(shù)字量輸出，其后跟隨一二階FIR濾波器。delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端采樣頻率為512K,大大降低了對輸入端外部濾波環(huán)節(jié)的需求。每次轉(zhuǎn)換包含兩個階段，自動歸零與測量階段。

圖2LTC6802內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4.2均衡

LTC6802可采用內(nèi)部與外部兩種均衡方式。每個S輸出管腳內(nèi)部均與N溝道MOSFET相連。內(nèi)部MOS管最大導(dǎo)通電阻為20歐。當(dāng)采用內(nèi)部均衡時，通過外部電阻與內(nèi)部MOSFET串聯(lián)對電池放電。內(nèi)部MOSFET也可用于控制外部均衡電路。

為獲得更大的放電電流，提高放電效率，通常采用外部均衡。S管腳內(nèi)部的10K上拉電阻使其輸出可驅(qū)動外電路中p溝道MOSFET的門極。通過外部串聯(lián)MOS管與電阻對電池放電。芯片內(nèi)部MOSFET的開通與關(guān)斷由外部控制器對LTC6802進行控制，芯片自身無法控制。

2.4.3開路檢測

LTC6802具有獨特的開路檢測功能。此功能確保在開路狀態(tài)下芯片獲得的電壓讀數(shù)不會被誤認為是有效電壓值。

如圖3所示，當(dāng)外部電路沒有濾波環(huán)節(jié)時，AD的輸入電阻將在開路部分產(chǎn)生接近于0的電壓。內(nèi)部電流源用于判斷電池的真實狀態(tài)是否為開路。例如，當(dāng)C3斷開時，與C3連接的兩節(jié)電池B3、B4讀數(shù)接近于0。此時主機可通過命令開啟LTC6802設(shè)置在AD于V-之間的電流源。如C3實際處于斷開狀態(tài)，則再次讀取數(shù)據(jù)時B3為0,B4接近B3+B4+0.5V。

圖3開路檢測電路

為了提高AD的精度，通常在外部電路增加濾波環(huán)節(jié)。如圖4所示，當(dāng)外部增加RC濾波環(huán)節(jié)時，開路部分不會產(chǎn)生0電壓值，因為AD輸入阻抗過大不足以對輸入管腳所接的電容放電。當(dāng)C3斷開時，經(jīng)過幾個測量周期，AD輸入電阻對CF3、CF4充電。C3電位接近C2與C4中點。此時B3、B4的測量值并非實際值。如此時啟用內(nèi)部100uA電流源，C3電位將被拉低，B3的值接近0,B4的值接近滿量程。檢測CN點是否開路的最好方法是比較啟用內(nèi)部100uA電流源前后BN+1節(jié)電池的電壓，如果兩次測量的電壓值相差0.2伏以上，則可以判斷CN點開路。

圖4帶外部濾波的開路檢測電路2.4.4過溫保護

芯片的電氣特性保證芯片在85度以下能夠正常工作。在核心溫度超過105度時，測量精度逐漸下降。在接近150度時，芯片損壞，無法正常工作。

因此推薦芯片工作時最大核心溫度為125度。

為保護芯片避免由于過熱而導(dǎo)致的損壞，芯片內(nèi)部包含有過溫保護電路。在開啟放電開關(guān)對電池大電流放電時以及在頻繁使用電流模式通訊時，芯片均有可能出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。當(dāng)在芯片電源正負端加較大電壓或者系統(tǒng)整體導(dǎo)熱性能不佳的情況下，過熱現(xiàn)象更為嚴重。

過溫保護電路工作在非備用模式下，當(dāng)芯片檢測到自身溫度大于145度時，命令寄存器中的值將復(fù)位到默認值，同時關(guān)閉放電開關(guān)，停止A/D轉(zhuǎn)換，電流通訊模式中斷。溫度寄存器中的THSD位被置高，THSD位的值在被讀取后自動清零。

由于過溫會中斷芯片的正常工作，因此應(yīng)利用內(nèi)部溫度監(jiān)視器實時監(jiān)測芯片溫度。

2.5寄存器與控制命令

LTC6802共有命令寄存器，電壓寄存器，溫度寄存器，標志寄存器四組寄存器組。通過相應(yīng)的讀寫命令對相應(yīng)的寄存器進行訪問。通過配置命令寄存器可設(shè)置電池測量節(jié)數(shù)，電池電壓測量時間，過電壓、欠電壓門限值，放電開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)。命令寄存器具體內(nèi)容如表1所示。

表1LTC6802命令寄存器

2.6接口時序

芯片通過SpI串行接口進行訪問。訪問時序如圖5所示。CSBI是串行端口允許使能端，它由主機控制;它在一次數(shù)據(jù)傳送開始時拉低，在傳輸結(jié)束時又重新拉高。SCLK是串行端口時鐘信號，它由主機控制。寫命令時SDI輸入需在SCLK上升沿時保持穩(wěn)定。讀取數(shù)據(jù)時SDO在SCLK上升沿有效。

如兩秒鐘無時鐘信號輸入，看門狗定時器輸出將被置低，命令寄存器復(fù)位，芯片進入低功耗的備用模式。此時，除串行接口及電壓基準源外芯片其他功能禁用。

圖5SpI訪問時序圖

3電壓檢測應(yīng)用實例

3.1硬件設(shè)計

由于芯片可以以級聯(lián)的方式工作，因此在硬件設(shè)計時應(yīng)注意根據(jù)芯片在串聯(lián)組中的位置將相應(yīng)的管腳置高或置低。如芯片處于最低位直接與CpU相連，則芯片采用電壓模式通訊，Vmode與Vreg相連，串聯(lián)組中其他芯片采用電流模式通訊，相應(yīng)的Vmode與V-相連。當(dāng)芯片處于級聯(lián)最高位，TOS與Vreg相連，串聯(lián)組中其他芯片TOS與V-相連，允許數(shù)據(jù)通過SDOI管腳傳輸。芯片與CpU的連接方式如圖6所示。

圖6LTC6802應(yīng)用實例

3.2軟件設(shè)計

芯片可級聯(lián)工作，當(dāng)芯片串聯(lián)使用時，依據(jù)芯片在串聯(lián)組中的順序由高至低依次向芯片寫入命令，讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)依據(jù)芯片在串聯(lián)組中的順序由低至高依次被讀出。

微控制器可以通過IO口模擬SpI接口訪問時序，如此可以使應(yīng)用更加靈活。下面是通過對LTC6802的操作來實現(xiàn)對電壓的測量。在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用中采用FreescaleS12系列單片機，通過IO口模擬SpI來對傳感器進行訪問。為了說明問題給出了兩個主要的操作程序清單：

ccs68002();

wrcmd_ltc(0x01);配置命令寄存器

wrcmd_ltc(0x00);

wrcmd_ltc(0x00);

wrcmd_ltc(0x00);

wrcmd_ltc(0x00);

wrcmd_ltc(0x00);

wrcmd_ltc(0x00);

scs68002();

delay(1);

ccs68002();

wrcmd_ltc(0x10);開始轉(zhuǎn)換電壓

scs68002();

delay(1);

ccs68002();

wrcmd_ltc(0x04);讀電壓數(shù)據(jù)

for(i=0;i<19;i++)

{

temp=rddata_ltc();

}

scs68002();

voidwrcmd_ltc(ucharcmd)寫命令

{

Byte;i

csclk68002();

for(i=0;i<8;i++)

{

if((cmd&0x80)==0x80)

{

sdo68002();

}

else

{

cdo68002();

}

ssclk68002();

cmd=cmd<<1;

csclk68002();

}

}

Byterddata_ltc(void)讀命令

{

Byte,ires=0;

csclk68002();

for(i=0;i<8;i++)

{

res=res<<1;

ssclk68002();

if(di68002==1)

res=res|1;

csclk68002();

}

returnres;

}

4結(jié)束語

在實際應(yīng)用中，測量全部電池的時間為13ms,電壓測量誤差值在10mV以內(nèi)，完全滿足電池管理系統(tǒng)的精度要求。LTC6802的高集成度、高測量精度、快速測量時間、低功耗等優(yōu)點使其在針對電動汽車的電池管理系統(tǒng)中得到了良好的應(yīng)用。