基于LTC6803的低成本燃料电池单体电压监测器设计

电路

引言

为保证燃料电池系统工作的可靠性，必须实时监测系统的工作状态。电堆电压是燃料电池故障诊断的重要指标，如根据单体电压的下降趋势来诊断此时电堆内部出现的水淹、饥饿等故障;另外，燃料电池单体电压过低时，电堆可能发生反极现象，对膜电极组件的性能以及寿命有着不可逆转的损害，这就需要通过监测所有的燃料电池单体的电压确保电堆正常工作。
目前传统的信号采集技术存在硬件结构复杂且成本高，电压、温度和电流等信号测量精度低，温度监测点少、可扩展性差;容易受到外界干扰，在电池组掉电保护期间无法对电池状态进行监控等缺陷。为此，本文采用Linear公司的电池监视芯片LTC6803，提出了一种硬件结构简单、误差小、可扩展性好、传输速度快、可靠性高、低成本的电池管理系统信号采集方案，在应用上和传统技术相比具有较大的优势。
1、电压采集模块硬件设计

1．1、燃料电池单体电压采样需求

燃料电池单体电压监测控制器的单体电池电压采样需求为具有较高的共模电压输入范围：对于24节单体电池电堆采样，所需的最高共模电压理论上为30V（单节电池理论最高电压设为1．25V）;单体电压采样误差小于20mV;耐反级能力需要采样电路能提供瞬时－50V的耐反级能力。
1．2、核心芯片LTC6803可行性分析

LTC6803是Linear公司的第二代专业电池监测芯片，内置一个12位ADC（模数转换器）、一个高电压输入多路复用器和一个串行口。每个LTC6803可以监测多达12节的串接电池，通过运用一个独特的电平移位串行口可以把多个LTC6803级联起来以监测长串串接电池。每块LTC6803有一个并联的场效应管，当通道电压输出范围超出正常范围，将关闭通道。见图1。

为进一步验证电池监视芯片LTC6803监测燃料电池单体电压的理论可行性，将基于LTC6803的采样电路与原基于AD8479放大芯片及MC9S08DZ60内置ADC采样的电路进行核心参数对比。见表1。

从参数上看，基于LTC6803的采样电路具有更高的采样精度，采用Sigma-delta的采样算法牺牲速率补偿精度，采样速率低于基于AD8479的采样;LTC6803每个通道内置的场效应管对电压范围的控制使得LTC6803具有一定的耐反极能力;较低的共模电压输入范围不能满足具有高共模需求的燃料电池应用领域（如车用领域）的采样精度要求。
1．3、电压采集模块参数设定

电压信号的采集是电池管理系统信号采集技术的关键。电压信号的准确性直接影响着估算精度和均衡控制。电压采集模块的主要功能包括：①测量电池组中每个单体电池和电池包的电压信号，并存储在寄存器中;②将电压信号传输到寄存器;③监控每个单体电池的欠压和过压状态，当某个电池电压超过设置的欠压过压点时，发送信息到寄存器。
如图2所示在LTC6803的电压采集引脚输入端采用100Ω电阻和0．1μF瓷片电容组成滤波电路，滤除高频干扰。LTC6803通过SPI总线与MC9S08DZ60通信，总线引脚通过上拉电阻连接到内置稳压源。通过单独的隔离电源供电，而不用串联电池组供电，保证了电池组在掉电保护期间信号采集模块的正常运行。通过设置A0樼A4寻址端口区分整个系统中各个电压采集模块。

电池在均衡时电池两端的场效应管会在其接通和关断时引起小幅的瞬变，所以测量电路必须加入滤波电路。在输入通道中插入100Ω的串联电阻不会引入太大的测量误差，同时在电池输入与信号地之间并联电容，构成的ＲC滤波电路，在电压转换之前提供足够的稳定电压。如表2所示。

LTC6803具有一个SPI总线兼容性串口，采用菊链的方式将多个器件串联起来。如图3所示。两组串行端口引脚分别定为低侧和高侧。第1级LTC6803的高侧SPI接口与第2级LTC6803的低侧SPI级联，依次类推。而第1级的LTC6803的低侧SPI接口与主控芯片连接起来，从而达到一个MCU控制多个电池组的目的。

拟采用ADUM1411作为SPI数字隔离器。ADUM1411是采用ADI公司iCoupler技术的四通道数字隔离器。隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征;5V电源下每个通道电流最大值1．3mA，能够完成3V/5V电平转换及双向通行，数据速率可达10Mb/s。如图4所示。

2、电压采集模块软件设计

读取电池电压信号首先需要进行初始化设置。初始化工作主要包括MC9S08DZ60的SPI初始化和LTC6803初始化。SPI初始化定义引脚功能、数据传输格式、传输频率等。注意LTC6803的SPI接口需要在CPHA=1和CPOL=1的模式下工作。LTC6803初始化主要判断写CFGＲ寄存器是否成功。
如图5所示。MC9S08DZ60广播发WCFGＲ命令和此命令的PEC值，与MC9S08DZ60通过SPI总线连接的LTC6803都会收到此命令，表示要发送寄存器数据。接着MC9S08DZ60发送CFGＲ寄存器数组、要进行通信的地址和ＲDCFG读寄存器命令。指定的LTC6803会返回其收到的CFGＲ数据，再由MC9S08DZ60判断通信是否成功。CFGＲ寄存器主要设置电池电压测量时间、过充和过放电压、看门狗定时器、内部均衡控制等。

设置寄存器之后进行读电池电压操作。如图6所示。对建立通信的LTC6803读取数据，MC9S08DZ60发送LTC6803的地址及其PEC，发送STCVAD命令及其PEC，启动电池电压ADC转换;接着MC9S08DZ60再次发送LTC6803的地址及其PEC，发送ＲDCV读电压命令，判断电压数据是否发送完毕，对接收的数据进行校验和处理;最后计算出对应的电压值。这里需要注意的是每次发送命令前都要先发送LTC6803的地址和PEC，否则通信不能建立。

3、低成本监测器的测试结果

测试条件：1h内万用表测量24节干电池电压与监测器测量值比较。监测器测试数据采用将电池电压除2，取最大值与最小值相加与实际值比较。如表3所示。

结果表明，基于LTC6803的燃料电池单体电压监测器采样误差可以保持在容许范围，采样数据具有良好精确度。
5、结束语

基于锂电池管理芯片LTC6803针对燃料电池单体电压监测进行软硬件设计，大幅降低了监测器的生产成本。在备用电源上进行模拟实验及测试，运行结果良好，测量误差为14mV，在允许范围内，实现了燃料电池单体电压监测器的低成本设计。