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電池進行嚴格的監控。LTC6802是凌力爾特公司推出的一款高度集成的電池監測芯片。LTC6802 能同時監測12節電池， 其外圍電路簡單， 在電池管理系統中的應用大大簡化了系統的結構， 有效地降低了產品成本。同時， 其12位的高分辨率也保證了系統的精度要求。
2 LTC6802簡介
2. 1 功能簡介
LTC6802是一款電池監測芯片， 內部包括12位分辨率的模數轉換器， 高精度電壓參考源， 高電壓輸入多路轉換器和串行接口。每片LTC6802 可測量12節串聯電池電壓， 最大允許測量電壓60伏。可同時監測全部電池電壓或單獨監測串聯電池中的任一節電池。芯片采用獨特的電平移動串行接口， 多片LTC6802可直接串聯， 芯片之間無需光耦或隔離器件。
多片LTC6802串聯時可同時工作， 全部串聯電池的電壓測量時間在13ms 以內。為減小功耗，LTC6802還可對每節電池的過電壓與欠電壓狀態進行實時監控。芯片每個電池輸入端內部連接有MOS開關用于對過充電池放電。
2. 2 LTC6802 性能概要
0. 25% 的最大總測量誤差(從- 40℃ ~ 85℃ )
可堆疊式架構實現1000V +系統
固有FIR濾波處理電路的delta- sigma ADC
具有數據包誤差檢驗功能的1MH z串行接口
用于電池放電的片上FET
溫度傳感器輸入
內置精確3V 基準和5V 穩壓器
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: 芯片在串聯組中位置選擇端;MMB: 監控模式選擇端; WDTB: 看門狗輸出; GPIO1,GPIO2: 通用I/O 口; VMODE: 通訊模式選擇端;SCK I、SD I、SDO、CSBI: SPI接口; CSBO、SBOI、SCKO:級聯時與下一級芯片通訊的SPI接口。
圖1 LTC6802芯片引腳圖
2. 4 工作原理
2. 4. 1 delta- sigm a模數轉換
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- sigm a模數轉換器相連， 內部10ppm電壓基準源為LTC6802提供高精度模數轉換用的參考源。LTC6802內部含有一個二階de lta- sigma 模數轉換器，模數轉換器利用重建濾波器可以消除轉換過程中產生的高頻噪聲，從而提供一個高精度的數字量輸出， 其后跟隨一二階FIR濾波器。delta- sigma 模數轉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節的需求。每次轉換包含兩個階段， 自動歸零與測量階段。
圖2 LTC6802內部結構圖
2. 4. 2 均衡
LTC6802可采用內部與外部兩種均衡方式。每個S輸出管腳內部均與N 溝道MOSFET 相連。內部MOS管最大導通電阻為20歐。當采用內部均衡時， 通過外部電阻與內部MOSFET 串聯對電池放電。內部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管腳內部的10K 上拉電阻使其輸出可驅動外電路中P 溝道MOSFET 的門極。通過外部串聯MOS管與電阻對電池放電。芯片內部MOSFET的開通與關斷由外部控制器對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下芯片獲得的電壓讀數不會被誤認為是有效電壓值。
如圖3所示， 當外部電路沒有濾波環節時， AD的輸入電阻將在開路部分產生接近于0的電壓。內部電流源用于判斷電池的真實狀態是否為開路。例如， 當C3斷開時， 與C3連接的兩節電池B3、B4讀數接近于0。此時主機可通過命令開啟LTC6802設置在AD于V - 之間的電流源。如C3 實際處于斷開狀態， 則再次讀取數據時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節。如圖4所示， 當外部增加RC 濾波環節時，開路部分不會產生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C3 斷開時， 經過幾個測量周期， 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部100uA 電流源前后BN + 1節電池的電壓， 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致的損壞， 芯片內部包含有過溫保護電路。在開啟放電開關對電池大電流放電時以及在頻繁使用電流模式通訊時， 芯片均有可能出現過熱現象。當在芯片電源正負端加較大電壓或者系統整體導熱性能不佳的情況下， 過熱現象更為嚴重。
過溫保護電路工作在非備用模式下， 當芯片檢測到自身溫度大于145度時， 命令寄存器中的值將復位到默認值， 同時關閉放電開關， 停止A /D 轉換，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， 因此應利用內部溫度監視器實時監測芯片溫度。
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。通過相應的讀寫命令對相應的寄存器進行訪問。通過配置命令寄存器可設置電池測量節數， 電池電壓測量時間， 過電壓、欠電壓門限值， 放電開關狀態等參數。命令寄存器具體內容如表1所示。
表1 LTC6802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。CSB I是串行端口允許使能端， 它由主機控制; 它在一次數據傳送開始時拉低， 在傳輸結束時又重新拉高。SCLK 是串行端口時鐘信號， 它由主機控制。寫命令時SD I輸入需在SCLK 上升沿時保持穩定。讀取數據時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5 SPI訪問時序圖
3 電壓檢測應用實例
3. 1 硬件設計
由于芯片可以以級聯的方式工作， 因此在硬件設計時應注意根據芯片在串聯組中的位置將相應的管腳置高或置低。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V reg 相連， 串聯組中其他芯片采用電流模式通訊， 相應的Vmode與V - 相連。當芯片處于級聯最高位， TOS與V reg相連， 串聯組中其他芯片TOS 與V - 相連，允許數據通過SDO I管腳傳輸。芯片與CPU 的連接方式如圖6所示。
圖6 LTC6802應用實例
3. 2 軟件設計
芯片可級聯工作， 當芯片串聯使用時， 依據芯片在串聯組中的順序由高至低依次向芯片寫入命令，讀取數據時， 數據依據芯片在串聯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， 如此可以使應用更加靈活。下面是通過對LTC6802的操作來實現對電壓的測量。在電池管理系統應用中采用Freescale S12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( );
w rcmd_ltc( 0x01) ; 配置命令寄存器
w rcmd_ltc( 0x00) ;
w rcmd_ltc( 0x00) ;
w rcmd_ltc( 0x00) ;
w rcmd_ltc( 0x00) ;
w rcmd_ltc( 0x00) ;
w rcmd_ltc( 0x00) ;
scs68002( ) ;
de lay( 1) ;
ccs68002( ) ;
w rcmd_ltc( 0x10) ; 開始轉換電壓
scs68002( ) ;
de lay( 1) ;
ccs68002( ) ;
w rcmd_ltc( 0x04) ; 讀電壓數據
for ( i= 0; i< 19; i+ + )
{
temp= rddata_ltc( );
}
scs68002( ) ;
vo id w rcmd_ltc( uchar cmd)寫命令
{
Byte ;i
csclk68002( ) ;
for( i= 0; i< 8; i+ + )
{
if( ( cmd&0x80) = = 0x80)
{
sdo68002( );
}
else
{
cdo68002( ) ;
}
ssclk68002( ) ;
cmd= cmd< < 1;
csclk68002( );
}
}
Byte rddata_ ltc( void) 讀命令
{
Byte ,i res= 0;
csclk68002( );
for ( i= 0; i< 8; i+ + )
{
res= res< < 1;
ssc lk68002( );
if( d i68002= = 1)
res= res| 1;
csclk68002( );
}
return res;
}
4 結束語
在實際應用中， 測量全部電池的時間為13m s,電壓測量誤差值在10mV 以內， 完全滿足電池管理系統的精度要求。LTC6802 的高集成度、高測量精度、快速測量時間、低功耗等優點使其在針對電動汽車的電池管理系統中得到了良好的應用。