基于LTC6803的低成本燃料電池單體電壓監(jiān)測器設(shè)計(jì)

引言

為保證燃料電池系統(tǒng)工作的可靠性，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。電堆電壓是燃料電池故障診斷的重要指標(biāo)，如根據(jù)單體電壓的下降趨勢來診斷此時(shí)電堆內(nèi)部出現(xiàn)的水淹、饑餓等故障;另外，燃料電池單體電壓過低時(shí)，電堆可能發(fā)生反極現(xiàn)象，對膜電極組件的性能以及壽命有著不可逆轉(zhuǎn)的損害，這就需要通過監(jiān)測所有的燃料電池單體的電壓確保電堆正常工作。

目前傳統(tǒng)的信號采集技術(shù)存在硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，電壓、溫度和電流等信號測量精度低，溫度監(jiān)測點(diǎn)少、可擴(kuò)展性差;容易受到外界干擾，在電池組掉電保護(hù)期間無法對電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等缺陷。為此，本文采用Linear公司的電池監(jiān)視芯片LTC6803，提出了一種硬件結(jié)構(gòu)簡單、誤差小、可擴(kuò)展性好、傳輸速度快、可靠性高、低成本的電池管理系統(tǒng)信號采集方案，在應(yīng)用上和傳統(tǒng)技術(shù)相比具有較大的優(yōu)勢。

燃料電池單體電壓監(jiān)測控制器的單體電池電壓采樣需求為具有較高的共模電壓輸入范圍：對于24節(jié)單體電池電堆采樣，所需的最高共模電壓理論上為30V（單節(jié)電池理論最高電壓設(shè)為1．25V）;單體電壓采樣誤差小于20mV;耐反級能力需要采樣電路能提供瞬時(shí)－50V的耐反級能力。

LTC6803是Linear公司的第二代專業(yè)電池監(jiān)測芯片，內(nèi)置一個(gè)12位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)串行口。每個(gè)LTC6803可以監(jiān)測多達(dá)12節(jié)的串接電池，通過運(yùn)用一個(gè)獨(dú)特的電平移位串行口可以把多個(gè)LTC6803級聯(lián)起來以監(jiān)測長串串接電池。每塊LTC6803有一個(gè)并聯(lián)的場效應(yīng)管，當(dāng)通道電壓輸出范圍超出正常范圍，將關(guān)閉通道。見圖1。

為進(jìn)一步驗(yàn)證電池監(jiān)視芯片LTC6803監(jiān)測燃料電池單體電壓的理論可行性，將基于LTC6803的采樣電路與原基于AD8479放大芯片及MC9S08DZ60內(nèi)置ADC采樣的電路進(jìn)行核心參數(shù)對比。見表1。

從參數(shù)上看，基于LTC6803的采樣電路具有更高的采樣精度，采用Sigma-delta的采樣算法犧牲速率補(bǔ)償精度，采樣速率低于基于AD8479的采樣;LTC6803每個(gè)通道內(nèi)置的場效應(yīng)管對電壓范圍的控制使得LTC6803具有一定的耐反極能力;較低的共模電壓輸入范圍不能滿足具有高共模需求的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域（如車用領(lǐng)域）的采樣精度要求。

電壓信號的采集是電池管理系統(tǒng)信號采集技術(shù)的關(guān)鍵。電壓信號的準(zhǔn)確性直接影響著估算精度和均衡控制。電壓采集模塊的主要功能包括：①測量電池組中每個(gè)單體電池和電池包的電壓信號，并存儲在寄存器中;②將電壓信號傳輸?shù)郊拇嫫?③監(jiān)控每個(gè)單體電池的欠壓和過壓狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)電池電壓超過設(shè)置的欠壓過壓點(diǎn)時(shí)，發(fā)送信息到寄存器。

如圖2所示在LTC6803的電壓采集引腳輸入端采用100Ω電阻和0．1μF瓷片電容組成濾波電路，濾除高頻干擾。LTC6803通過SPI總線與MC9S08DZ60通信，總線引腳通過上拉電阻連接到內(nèi)置穩(wěn)壓源。通過單獨(dú)的隔離電源供電，而不用串聯(lián)電池組供電，保證了電池組在掉電保護(hù)期間信號采集模塊的正常運(yùn)行。通過設(shè)置A0樼A4尋址端口區(qū)分整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)電壓采集模塊。

電池在均衡時(shí)電池兩端的場效應(yīng)管會在其接通和關(guān)斷時(shí)引起小幅的瞬變，所以測量電路必須加入濾波電路。在輸入通道中插入100Ω的串聯(lián)電阻不會引入太大的測量誤差，同時(shí)在電池輸入與信號地之間并聯(lián)電容，構(gòu)成的ＲC濾波電路，在電壓轉(zhuǎn)換之前提供足夠的穩(wěn)定電壓。如表2所示。

LTC6803具有一個(gè)SPI總線兼容性串口，采用菊鏈的方式將多個(gè)器件串聯(lián)起來。如圖3所示。兩組串行端口引腳分別定為低側(cè)和高側(cè)。第1級LTC6803的高側(cè)SPI接口與第2級LTC6803的低側(cè)SPI級聯(lián)，依次類推。而第1級的LTC6803的低側(cè)SPI接口與主控芯片連接起來，從而達(dá)到一個(gè)MCU控制多個(gè)電池組的目的。

擬采用ADUM1411作為SPI數(shù)字隔離器。ADUM1411是采用ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。隔離器件將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征;5V電源下每個(gè)通道電流最大值1．3mA，能夠完成3V/5V電平轉(zhuǎn)換及雙向通行，數(shù)據(jù)速率可達(dá)10Mb/s。如圖4所示。

讀取電池電壓信號首先需要進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化工作主要包括MC9S08DZ60的SPI初始化和LTC6803初始化。SPI初始化定義引腳功能、數(shù)據(jù)傳輸格式、傳輸頻率等。注意LTC6803的SPI接口需要在CPHA=1和CPOL=1的模式下工作。LTC6803初始化主要判斷寫CFGＲ寄存器是否成功。

如圖5所示。MC9S08DZ60廣播發(fā)WCFGＲ命令和此命令的PEC值，與MC9S08DZ60通過SPI總線連接的LTC6803都會收到此命令，表示要發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。接著MC9S08DZ60發(fā)送CFGＲ寄存器數(shù)組、要進(jìn)行通信的地址和ＲDCFG讀寄存器命令。指定的LTC6803會返回其收到的CFGＲ數(shù)據(jù)，再由MC9S08DZ60判斷通信是否成功。CFGＲ寄存器主要設(shè)置電池電壓測量時(shí)間、過充和過放電壓、看門狗定時(shí)器、內(nèi)部均衡控制等。

設(shè)置寄存器之后進(jìn)行讀電池電壓操作。如圖6所示。對建立通信的LTC6803讀取數(shù)據(jù)，MC9S08DZ60發(fā)送LTC6803的地址及其PEC，發(fā)送STCVAD命令及其PEC，啟動電池電壓ADC轉(zhuǎn)換;接著MC9S08DZ60再次發(fā)送LTC6803的地址及其PEC，發(fā)送ＲDCV讀電壓命令，判斷電壓數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和處理;最后計(jì)算出對應(yīng)的電壓值。這里需要注意的是每次發(fā)送命令前都要先發(fā)送LTC6803的地址和PEC，否則通信不能建立。

測試條件：1h內(nèi)萬用表測量24節(jié)干電池電壓與監(jiān)測器測量值比較。監(jiān)測器測試數(shù)據(jù)采用將電池電壓除2，取最大值與最小值相加與實(shí)際值比較。如表3所示。

結(jié)果表明，基于LTC6803的燃料電池單體電壓監(jiān)測器采樣誤差可以保持在容許范圍，采樣數(shù)據(jù)具有良好精確度。

基于鋰電池管理芯片LTC6803針對燃料電池單體電壓監(jiān)測進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，大幅降低了監(jiān)測器的生產(chǎn)成本。在備用電源上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)及測試，運(yùn)行結(jié)果良好，測量誤差為14mV，在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池單體電壓監(jiān)測器的低成本設(shè)計(jì)。