LTC6803在镍氢电池储能管理系统中的应用

目前，国内外的电池管理系统方而研究更多集中于电动汽车领域，储能电池管理系统作为电池储能电站的关键部分，我国大多电池公司在此方面的技术研发也是刚刚起步。文献中提出了一种适用于大容量储能技术的锂离子电池管理系统，从分层管理系统的结构、功能和管理角度进行了系统的分析。其它主要国家（如美国、欧洲等发达国家）在储能这一关键技术领域进行了研发布局，相关技术研发和示范活动进展迅速。

本工作从环保和经济性角度考虑，储能电池选用了退役后的电动公交车镍氢动力电池系统的部分电池，设计了储能电池管理系统。由LTC6803进行整个储能系统电压、温度信息的采集以及电池组均衡功能的控制。

1、储能系统架构

本工作设计的储能系统电池管理侧架构如图1所示，从功能上可分为采集、控制和处理及外设3个基本单元。其中单片机系统选用了Freescale16位MC9S12XEG128作为微控制器，采集单元包括电池组电压采样、温度采样；电流控制单元包括电池组均衡控制和继电器控制；处理及外设单元主要负责单片机信号处理及通讯外设等其它模块的控制。

LTC6803以其高采样精度、布线简单等优越性在电动汽车、储能等领域广泛使用，因此选用电源管理专用芯片LTC6803作为电池组电，H≤和温度的采样前端，它集成了12路电压采样和2路温度采样，同时具备可控的电池均衡开关，在必要时均衡电池以保持电池的一致性。

2、电源管理芯片LTC6803硬件电路设计

2.1、LTC6803基本原理图与简介

本设计中，图2中C0连接电池组的负端，C1～C12为电压采集端口，S1～S12为均衡用开关；GPIO。和VTEMP。引脚连接温度采集模块。需要注意的是，LTC6803的供电完全由电池组提供，不需控制板配置供电电路，如果连接至隔离式电源时，可简单通过断开引脚V关断LTC6803。

2.2、通信设计

LTC6803具有一个SPI总线兼容型串行端口，单片机可以通过该总线与其进行数据交换，并且单片机通过配置LTC6803内部相应寄存器实时对电池组的电压、温度信息进行采集以及电池均衡电路的控制。图1中，SPI信号隔离电路采用具有4路高速通道的隔离芯片ADuM3150，保证SPI信号的传输稳定。

2.3、电压采样硬件设计

LTC6803即可测量12节串联电池模组电压，该芯片可在13ms完成一个系统巾所有电池的测量。电压采样前端电路图如图3所示（只标示了其中一组），在电池电压信号进入LTC6803芯片之前，电感MM22012R121A（该型号可抑制最人电流为800mA）可抑制电池的浪涌电流；后面的电阻和0.1uF/50V电容构成RC滤波电路。为了减小误差，该滤波环节的时间常数应远小于后端LTC6803的测量时间，则该误差可忽略不计。

其中R=100Q，C=O.luF，则时问常数t=10-5s。LTC6803测量1节电池的电压所需要的时间为t=1.2ms，所以时间常数T《t，因此符合设计要求。

稳压二极管PD26-2B可防止电压击穿影响后端芯片，其T作电压范围6.06V《Vz《6.33V，电池组单个模组BATn电压范围3.0V《Vz《4.5V，凶此符合要求。

2.4、温度采样硬件设计

LTC6803可读取外部温度传感器信号，它有两个ADC通道（VTEMP1和VTEMP2），可监视位丁电池包内部的NTC热敏电阻传感器。由于只有两路VTEMP的ADC通道，为了监测更多点的温度，设计了8路（图中只表明了其中1路）NTC测试点。

如图4所示，温度采样中使用的热敏电阻在常温下（25℃）阻值大约为10k欧（温度探头的输入点为TEMP。），因此分压电阻取Ri=（10±0.1%）K，从而保证进去LTC6803的电压值在其采样范围内（0～VREGO）。采样后端电阻R2（这里取R2=100Q）作为限流电阻保护后端电路。

为了扩充为8路温度采样，设计中采用了双通道4：1多路复用器74HC4052扩充了信号采集点（图5）。注意，由于VREGO处于始终保持接通的状态，因而选择缓冲运算放大器LT6004以实现低功耗。如表1所示通过逻辑电平控制管脚SO、S1，可选取对应通道。

3、采样环节软件设计

LTC6803的关键设计在于通信设计，采样数据的传输主要通过SPI总线方式，对单片机进行SPI初始化过程中，要求通信过程中时钟频率在1MHz以内，SPI时钟极性和时钟相位保证CPOL=1和CPHA=1，这两点在进行SPI初始化过程中要注意。

同时，LTC6803的各种操作均由内部寄存器的命令代码进行控制。尤其是它的配置寄存器，只要写入新的配置位，就需要重新进行LTC6803初始化操作。

3.1、LTC6803初始化程序流程图

LTC6803的配置寄存器组共有6个8位子配置寄存器（CFGRO-CFGR5），由于不能按位进行读写，所以每次对该寄存器某位进行操作时（比如温度采样过程中，需要通过修改寄存器CFGRO中的GPI01和GPI02位来变换74HC4052中的SO和Sl），都需要刷新整个寄存器组，即重新初始化该芯片内的寄存器。芯片初始化成功与否，通过得到写入与回读的值进行比较返回标志位Init_Flag，初始化程序流程图如图6所示。

3.2、LTC6803采样程序流程图

启动电压、温度采样之前，首先保证LTC6803的初始化正常（即Init_Flag=l）。结束检测转换后，通过AD与实际值Ux（单位：mV）的转换公式Ux=（ADx-512）×VLSB进行转换并存入待处理的变量中，其中VLSB=1.5mV。电压和温度采样程序流程图如图7、图8所示。

4、实验对比分析

4.1、实验条件

本实验所选用储能电池为某公司新能源公交车使用后的镍氢动力电池组，如图9所示，本图只显示了20块单体电池，其相关参数如表2所示。其中图10为系统硬件平台。

4.2、LTC6803与电池检测芯片AD7280A测试数据对比分析

实验分别通过LTC6803和AD7280A两个专用芯片以及常用分布式采样方案（分布式采样方案是将福禄克4位半数字万用表作为标准，测试数据如表3所示（测量数据只展现前6个模组电压及总电压数据）。

5、结论

文章详细介绍了专用芯片LTC6803在储能系统中软件和硬件的应用方法，同时对比其它电源管理方案的各方面性能，表现出其优越性，展示出其简单性和经济性。在实际应用中，可根据储能管理系统的要求监测电池状态，保证储能类系统在无人值守的地方稳定、可靠的运行。