基于LTC6803的低成本燃料電池單體電壓監(jiān)測器設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于LTC6803的低成本燃料電池單體電壓監(jiān)測器設計-設計應用引言

為保證燃料電池系統(tǒng)工作的可靠性，必須實時監(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，如根據(jù)單體電壓的下降趨勢來診斷此時電堆內(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，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)的信號采集技術存在硬件結構復雜且成本高，電壓、溫度和電流等信號測量精度低，溫度監(jiān)測點少、可擴展性差;容易受到外界干擾，在電池組掉電保護期間無法對電池狀態(tài)進行監(jiān)控等缺陷。為此，本文采用Linear公司的電池監(jiān)視芯片LTC6803，提出了一種硬件結構簡單、誤差小、可擴展性好、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，在應用上和傳統(tǒng)技術相比具有較大的優(yōu)勢。

1、電壓采集模塊硬件設計

1．1、燃料電池單體電壓采樣需求

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，所需的共模電壓理論上為30V（單節(jié)電池理論電壓設為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－50V的耐反級能力。

1．2、芯片LTC6803可行性分析

LTC6803是Linear公司的第二代電池監(jiān)測芯片，內(nèi)置一個12位ADC（模數(shù)轉換器）、一個高電壓輸入多路復用器和一個串行口。每個LTC6803可以監(jiān)測多達12節(jié)的串接電池，通過運用一個獨特的電平移位串行口可以把多個LTC6803級聯(lián)起來以監(jiān)測長串串接電池。每塊LTC6803有一個并聯(lián)的場效應管，當通道電壓輸出范圍超出正常范圍，將關閉通道。見圖1。

為進一步驗證電池監(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采樣的電路進行參數(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償精度，采樣速率低于基于AD8479的采樣;LTC6803每個通道內(nèi)置的場效應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用領域（如車用領域）的采樣精度要求。

1．3、電壓采集模塊參數(shù)設定

電壓信號的采集是電池管理系統(tǒng)信號采集技術的關鍵。電壓信號的準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)控每個單體電池的欠壓和過壓狀態(tài)，當某個電池電壓超過設置的欠壓過壓點時，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期間信號采集模塊的正常運行。通過設置A0樼A4尋址端口區(qū)分整個系統(tǒng)中各個電壓采集模塊。

電池在均衡時電池兩端的場效應管會在其接通和關斷時引起小幅的瞬變，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，同時在電池輸入與信號地之間并聯(lián)電容，構成的ＲC濾波電路，在電壓轉換之前提供足夠的穩(wěn)定電壓。如表2所示。

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

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電源下每個通道電流值1．3mA，能夠完成3V/5V電平轉換及雙向通行，數(shù)據(jù)速率可達10Mb/s。如圖4所示。

2、電壓采集模塊軟件設計

讀取電池電壓信號首先需要進行初始化設置。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寄存器主要設置電池電壓測量時間、過充和過放電壓、看門狗定時器、內(nèi)部均衡控制等。

設置寄存器之后進行讀電池電壓操作。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)進行校驗和處理;計算出對應的電壓值。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。

3、低成本監(jiān)測器的測試結果

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，取值與值相加與實際值比較。如表3所示。

結果表明，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