基于LTC6803和NRF24L01的動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng) - 全文

近年來(lái)興起的鋰離子電池性能優(yōu)良，適用范圍廣，具有良好的應(yīng)用前景。但由于成本以及壽命等問題，使得鋰離子電池的監(jiān)控和管理顯得尤為重要。一套合理的電池管理系統(tǒng)是減少電池成本、提升電能儲(chǔ)存裝置整體競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。一般而言，電池管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電池組工作狀態(tài)和估算電池組SOC的功能。以上兩點(diǎn)都離不開對(duì)電池單體電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前鋰離子電池電壓檢測(cè)主要有門電路法和專用芯片采集法。

門電路法測(cè)電壓的塬理是應(yīng)用門電路開關(guān)切換電壓通道，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換將電池電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并由主控器進(jìn)行處理。這種方法硬件成本通常較高，控制邏輯復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間受門電路開關(guān)響應(yīng)時(shí)間限制。近年來(lái)LIneAr等公司相繼推出了用于電池組電池測(cè)量的專用芯片，使得工程上對(duì)電池組電壓的測(cè)量有了新的思路。

LTC6803介紹

LTC6803是第二代的完整電池監(jiān)視IC，內(nèi)置一個(gè)12位ADC、一個(gè)精準(zhǔn)型電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)串行接口。每個(gè)LTC6803能夠測(cè)量多達(dá)12個(gè)串接電池或超級(jí)電容器的電壓。通過運(yùn)用一個(gè)獨(dú)特的電平移位串行接口，可以把多個(gè)LTC6803-1/LTC6803-3器件串聯(lián)起來(lái)（無(wú)需使用光耦合器或光隔離器），以監(jiān)視長(zhǎng)串串接電池中每節(jié)電池的電壓。每個(gè)電池輸入具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的MOSFET電源開關(guān)，用于對(duì)過度充電的電池進(jìn)行放電。LTC6803-1在內(nèi)部將電池組的底端與V―相連。該器件的引腳與LTC6802-1兼容，從而提供了一款直接替代型的升級(jí)方案。LTC6803-3則把電池組的底端與V―分開，故而改善了第一節(jié)電池（cell1）的測(cè)量準(zhǔn)確度。

LTC6803提供了一種用于將電源電流減小至12μA的待機(jī)模式。此外，LTC6803還可從一個(gè)隔離型電源來(lái)供電，因而提供了一種將電池組吸收電流減小至零的方法。

LTC6803特點(diǎn)

可測(cè)量多達(dá)12個(gè)串聯(lián)電池的電壓

可堆疊式架構(gòu)

可支持多種電池化學(xué)組成和超級(jí)電容器

至相鄰器件的串行接口菊式鏈接

0.25%的最大總測(cè)量誤差

專門針對(duì)符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)

可在13ms完成一個(gè)系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量

NRF24L01介紹

NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。

NRF24L01特點(diǎn)

小體積，QFN204x4mm封裝

寬電壓工作范圍，1.9V~3.6V，輸入引腳可承受5V電壓輸入

工作溫度范圍，-40℃~+80℃

工作頻率范圍，2.400GHz~2.525GHz

發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm

數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps

低功耗設(shè)計(jì)，接收時(shí)工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時(shí)11.3mA，掉電模式時(shí)僅為900nA

126個(gè)通訊通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要

增強(qiáng)型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的地址控制

數(shù)據(jù)包每次可傳輸1~32Byte的數(shù)據(jù)

4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡(jiǎn)單

可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度

MCU可通過IRQ引腳塊判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要介紹3片LTC803-4并聯(lián)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)28節(jié)電池的測(cè)量方法。由于單片LTC6803－4測(cè)量電池堆電壓不得低于10V，故將28支電池單體分為3組，由3片LTC6803－4（1＃LTC6803－4、2＃LTC6803－4、3＃LTC6803－4）分別測(cè)量并上傳數(shù)據(jù)。如下圖所示，第一組為1?！?2＃電池單體，第二組為13?！?0＃電池單體，第叁組為21＃～28＃電池單體。

系統(tǒng)電路硬件

主控器采用的是飛思卡爾公司的雙核16位芯片

MC9S12XEP100，該芯片擁有16位雙核處理單元。32Kb容量的D－Flash存儲(chǔ)器。兩個(gè)16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊、5路MSCAN、3路串行外設(shè)接口（API）以及152

個(gè)可配置通用I／O引腳。主控器需要處理的數(shù)據(jù)繁多，充分利用其雙核功能可以保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性。主控器在采集到所有的電壓數(shù)據(jù)后，通過CAN總線接口與外部進(jìn)行通信上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自外部的信息。協(xié)處理器在本系統(tǒng)中用來(lái)處理接收自外部的CAN總線信息，大大節(jié)省了CPU的資源。

此外，通信隔離芯片ADｕM1401需要的驅(qū)動(dòng)電流高于LTC6803－4的Vreg引腳所能提供的4MA，故需要外加電源驅(qū)動(dòng)；此外，此驅(qū)動(dòng)電源需要與當(dāng)前LTC6803－4的V－（亦即其所相連的電池）共地，所以驅(qū)動(dòng)電源需要選擇完全隔離的形式。

理論上，28支電池首尾相接串聯(lián)而引出的29根電壓檢測(cè)線按芯片上的接口順序依次連接即可，但考慮到LTC6803－4的并聯(lián)式級(jí)聯(lián)以及2＃LTC6803－4和3＃LTC6803－4各只負(fù)責(zé)8支電池的監(jiān)測(cè)這一特殊情況，級(jí)聯(lián)LTC6803－4與單片LTC803-4在應(yīng)用電路上有所區(qū)別。以2＃LTC6803－4的連接為例，2＃LTC6803－4監(jiān)測(cè)13?！?0＃，此8支電池的電壓，同時(shí)需要此8支電池為2＃LTC6803－4供電。下圖所示為2＃LTC6803－4底端與頂端的電路接法。

2#LTC6803-4底端連接

2#LTC6803-4頂端連接

系統(tǒng)軟件配置

本文所述3個(gè)芯片通過0Ω電阻分別將地址配置為0001、0002和0003，則1＃LTC6803－4芯片地址為0b10000001，2＃LTC6803－4芯片地址0b10000002，3＃LTC6803－4芯片地址為0b10000003。讀取一片LTC6803－4的軟件流程如圖6所示。3片LTC803-4并聯(lián)式級(jí)聯(lián)后，主控器只需輪詢不同地址的芯片，并接收數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)所有28支電池單體的電壓監(jiān)測(cè)。