動力電池組被廣泛應用在電動自行車和混合動力汽車中。電池組在使用中由于單體電池性能的差異而導致整體性能和壽命的下降非常普遍， 通過均衡可以提高電池組能量利用率和使用壽命。
本文設計的均衡電路的基本原理是通過使用專用電池組管理芯片LTC6802-1測量電池組中單體電池電壓， 將數據通過SPI總線傳送給單片機， 單片機通過決策對均衡電路進行控制。實驗表明， 基于LTC6802-1芯片設計的均衡電路， 在電池組使用過程中單體電池的能量一致性得到了明顯改善。
1 均衡電路工作原理
本文基于LTC68021 鋰電池組管理芯片設計的電池組均衡電路， 由取電系統、嵌入式處理器、LTC6802-1數據采集及均衡電路四部分構成， 電路框圖如圖1所示。
圖1 基于LTC6802-1設計的均衡電路結構框圖
取電系統是均衡電路的供電來源， 電源取自鋰電池組， 并提供給低功耗嵌入式處理器與LTC6802-1芯片。嵌入式處理器時均衡電路的核心， 一方面通過SPI接口與LTC6802-1進行通信， 另一方面對獲得的數據進行簡單的處理。數據采集電路主要由LTC6802-1芯片構成, 該芯片內置了高精度AD 轉換器， 結合外部濾波電路可以對鋰電池組參數實現精確得采樣。LTC6802-1芯片均衡接口的特殊設計， 能夠控制外部均衡電路進行工作， 簡化了均衡電路。
1. 1 取電系統
LTC6802-1最多能夠管理12節串聯的鋰電池組， 以萬向電動汽車有限公司生產的WX11 I3215鋰電池為例， 單體電池在使用過程中電壓在2. 8 3. 8V 變化， 12節WX11 I3215串聯的鋰電池組在使用過程中電池組總電壓的變化范圍在33. 6 45. 6V。均衡電路中嵌入式處理器A tmega16L與LTC68021均使用5V 直流電源供電， 因此取電系統的輸出電壓選擇為5V。由于均衡電路中采用的都是低功耗芯片， 取電系統的輸出功率選擇為5W。基于上述取電系統的寬電壓輸入的特殊性， 本文中取電系統采用單片開關電源芯片TOPSw itch設計了一種具有輸入電壓范圍寬的開關電源。
1. 2 嵌入式處理器及SPI接口
本文選用A tme l公司的AVR系列處理器A tmega16L,該芯片具有16kb的在線編程Flash程序存儲器、512字節EEPROM、2kb SRAM、32 個通用工作寄存器、32 個通用I/O口， 還具有SPI、USART 等豐富的外設。同時， A tmega16L芯片具有低功耗貼片封裝可滿足低功耗均衡電路的設計要求， 芯片豐富的內部資源及接口可以完成鋰電池組管理系統的各種功能。A tmega16L 通過SPI總線與LTC6802-1進行通信。
LTC6802-1 芯片SPI 工作模式固定為CPHA = 1,CPOL= 1, 字節發送高位在先， 可以支持主機最大SPI移位頻率到1MHz。因此， 在A tmega16L的SPI驅動函數編寫中SPI外設控制寄存器要有相同的配置。
本文設計的均衡電路中A tm ega16L通過SPI總線讀取各電池電壓的AD 轉換值， 然后對電池電壓進行排序，選擇出最高電壓所對應的電池， 接著發送指令控制LTC6802-1對均衡電路進行操作。軟件流程如圖2所示。
圖2 電壓采集及均衡控制軟件流程圖
1. 3 LTC6802-1電壓采集與均衡電路設計
LTC6802-1芯片內置12位模數轉換器， 集成了多路模擬開關和高精度基準源。芯片內置的AD 轉換器能夠通過內部集成的多路模擬開關采集到電池組內單體電池的電壓， 不需要復雜的分壓網絡， 從而方便了采集電路的設計。如圖3所示， LTC6802-1對各單體電池電壓信號分別通過RC 低通濾波連接至LTC6802-1的C（ n）引腳。RC 低通濾波器消除了電壓信號中的高頻分量， 使得采集的數據更加穩定可靠。
圖3 LTC6802-1鋰電池組均衡電路
LTC6802-1芯片除了電壓采集還具備均衡控制功能。本文設計的均衡電路如圖3所示， 該電路主要由開關管和功率電阻組成， LTC6802-1通過控制開關管來實現高電壓電池的電量釋放。
2 測試
2. 1 LTC6802-1 SPI通信測試
LTC6802-1硬件配置根據在級聯結構中的位置可以分為3類： 底層、中間層、頂層。底層指的是最低電位電池組模塊所對應的LTC6802-1, 頂層指最高電壓電池組對應的LTC6802-1, 而中間層是電壓值夾在中間的其他電池組模塊對應的LTC6802-1。3種位置在外圍電路配置上是有差異的， 具體表現在VMODE、SDO、TOS 3個管腳， 如表1所示進行配置。其他硬件管腳在菊花鏈中的連接固定不變。
表1 管腳配置表
在實驗室條件下， 對A tm ega16L接收到的電壓數據與高精度電壓表UN IT UT805直接測量數據進行對比， 實驗中對4個通道的精度做了對比， 如表2所示， LTC6802-1各個通道的測量誤差小于10mV。
表2 LTC6802-1電壓采樣值對照表單位
2. 2 均衡效果測試
本文設計的基于LTC6802-1均衡電路在實驗室條件下做了0. 2C 恒定電流放電測試。測試中選擇4節PL603759鋰電池串聯的電池組， 放電負載選用型號為IT8513B 的可編程電子負載儀。使用均衡電路前電池組放電曲線如圖4所示， 使用LTC68021均衡電路后電池組放電曲線如圖5所示， 對比可以發現， 均衡前單體電池最大壓差接近70mV, 均衡后最大壓差接近20mV, 使用了均衡電路后電池組內單體電池的能量一致性有比較明顯的改善。
圖4 使用均衡電路前電池組放電曲線
圖5 使用LTC6802-1均衡電路后電池組放電曲線
3 結束語
采用LTC6802-1的均衡電路在4節電池組應用中得到測試， 測試結果表明： 本文設計的LTC6802-1均衡電路構成的鋰電池均衡電路具有元件需求少、所占空間小、均衡效果好， 可靠性高等優點， 具有較高的實用價值。