基于LTC6803的锂电池管理系统设计
赵波+徐垚
摘 要：设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统（BMS）。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词：BMS；电池管理系统；LTC6803
0 引言
锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小的特点[1]。然而，由于单个锂电池的内部特性不一致，如果没有一种有效的充放电管理方案，将不可避免地导致动力锂电池组中某个或某几个锂电池过充过放，而其他的锂电池则总处于“饥饿”状态，不但不能发挥出动力锂电池组的最大功效，而且将严重地缩短锂电池组的寿命，甚至有可能发生爆炸。所以，一种可靠优良的动力锂电池组的充放电管理方案对于锂电池的推广应用意义重大[2]。目前，国内外对于锂离子电池组均衡控制的研究主要分为电池组的电量管理系统研究、电池组的均衡管理系统研究和电池组的状态管理系统研究三大部分[3]。本文设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统，使用松下的18650型锂电池，LTC6803采样单体电池的电压，采用主动均衡实现各个单体之间的均衡。采用BQ24610设计了DC/DC方式的锂电池充电管理。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
1 总体方案
系统总体框图如图1所示。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组组成。其中锂电池监控采用LTC6803-4，控制器采用C8051F040，锂电池充电管理采用BQ24610，LCD显示采用1602标准LCD显示，锂电池组采用Panasonic的NCR18650A。S1和S2分为作为锂电池监控和锂电池充电管理的切换。
各部分的主要功能如下：
（1）锂电池监控：采用Linear Technology公司的锂电池监控芯片LTC6803-4，该芯片最多可以测量12 Cell的锂电池。锂电池监控主要完成锂电池电压测量，过压欠压检测，以及电阻均衡放电控制。
（2）锂电池充电管理：锂电池充电管理采用Texas Instruments公司的锂电池充电管理芯片BQ24610。该芯片最多可以对6 Cell的锂电池进行充电。充电接口用于外部电压的输入，对锂电池组进行充电。
（3）控制器：控制器采用Silicon Labs的C8051F040，控制器主要完成对锂电池监控、锂电池充电管理以及继电器切换的控制。控制器与锂电池监控采用SPI接口进行通信，控制锂电池监控芯片LTC6803-4完成电压测量、过压过放以及电阻均衡放电控制。控制器与锂电池充电管理采用GPIO进行通信，控制锂电池充电管理芯片BQ24610完成锂电池的充电，充电状态指示。控制LCD1602显示，完成BMS信息的显示，以及各种系统状态进行指示。
（4）LCD显示：LCD显示采用标准LCD1602，该LCD可以显示2行，16列，一共32个字符。用于显示BMS信息，包括各个Cell的电压，过压过放显示等。
（5）锂电池组：锂电池组采用Panasonic的NCR18650A，该锂电池具有3100mAh容量。
2 电路设计
2.1 锂电池充电管理电路设计
锂电池充电管理电路如图2所示。BQ24610是德州仪器公司生产的具有系统电源选择和低静态电流的独立、同步、开关模式锂或者锂聚合物电池充电器。BQ24610使用方便，设计时只需要完成：（1）用电阻分压器设定BQ24610的引脚ISET1、引脚ISET2和引脚ACSET的电压，从而分别设定锂电池充电曲线中的快充电流、预充电流和启动动态电源管理的电流。用电阻分压器设定引脚VFB的电压，从而设定锂电池充电曲线中的充电电压；（2）BQ24610属于同步Buck控制器，设计时通过Buck拓扑结构中输入电容、输出电容、电感和MOSFET的参数计算，选择满足设计需求的输入电容、输出电容、电感和MOSFET。（3）此外，还包括用来实现动态电源管理的三个MOSFET的选择，分别是引脚ACDRV驱动的两个背靠背的MOSFET和引脚BATDRV驱动的一个MOSFET，设计时需综合考虑燃料电池的电压电流和锂电池的电压电流，选择满足设计需求的MOSFET。
2.2 锂电池监控电路设计
锂电池监控电路如图3所示。包括锂电池监控芯片LTC6803-4，以及P Channel和功率电阻构成的电阻放电电路。该电路最多可以同时对12 Cell的锂电池进行监控。LTC6806-4左边为MOSFET控制开关的电阻放电电路，共12组。图中33R电阻为功率电阻，用于对单体电池进行电阻放电。发光二极管和475R电阻构成LED指示灯电路，当LTC6803-4控制MOSFET导通时，LED指示灯亮，MOSFET截止时，LED指示灯灭。3.3K、100R、0.1uF以及N Channel MOSFET RQJ0303PGDQA构成MOSFET开关电路，LTC6803-4控制MOSFET导通与否，控制单体电池对功率电阻放电，从而实现电阻均衡。
LTC6803-4 Pin 1V+是电源供电引脚，输入电压54V，R45和C9构成RC滤波电路。32 Pin VREG是线性电压调整输出引脚，必须外接一个1uF的旁路电容。Pin 31 VREF是3.065V电压参考输出，必须外接一个1uF的旁路电容。CSBI、SDO、SDI和SCKI是SPI接口，连接到控制器的SPI接口。由于系统只采用一片LTC6803-4，因此，A0、A1、A2和A3连接到地，将地址固定为0。
4 结论
设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统（BMS）。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 肖湘宁，陈征，刘念.可再生能源与电动汽车充放电设施在微电网中的集成模式与关键问题[J].电工技术学报，2013，28（2） ：1-14.
[2] 陈渊睿，伍堂顺，毛建一.动力锂电池组充放电智能管理系统[J].电源技术，2009，33（8）：666-670.
[3] 杨书华，邹鹏，石文荣，等.锂离子电池能量均衡系統研究[J].电子技术应用，2013，39（11）：60-66.
摘 要：设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统（BMS）。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词：BMS；电池管理系统；LTC6803
0 引言
锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小的特点[1]。然而，由于单个锂电池的内部特性不一致，如果没有一种有效的充放电管理方案，将不可避免地导致动力锂电池组中某个或某几个锂电池过充过放，而其他的锂电池则总处于“饥饿”状态，不但不能发挥出动力锂电池组的最大功效，而且将严重地缩短锂电池组的寿命，甚至有可能发生爆炸。所以，一种可靠优良的动力锂电池组的充放电管理方案对于锂电池的推广应用意义重大[2]。目前，国内外对于锂离子电池组均衡控制的研究主要分为电池组的电量管理系统研究、电池组的均衡管理系统研究和电池组的状态管理系统研究三大部分[3]。本文设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统，使用松下的18650型锂电池，LTC6803采样单体电池的电压，采用主动均衡实现各个单体之间的均衡。采用BQ24610设计了DC/DC方式的锂电池充电管理。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
1 总体方案
系统总体框图如图1所示。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组组成。其中锂电池监控采用LTC6803-4，控制器采用C8051F040，锂电池充电管理采用BQ24610，LCD显示采用1602标准LCD显示，锂电池组采用Panasonic的NCR18650A。S1和S2分为作为锂电池监控和锂电池充电管理的切换。
各部分的主要功能如下：
（1）锂电池监控：采用Linear Technology公司的锂电池监控芯片LTC6803-4，该芯片最多可以测量12 Cell的锂电池。锂电池监控主要完成锂电池电压测量，过压欠压检测，以及电阻均衡放电控制。
（2）锂电池充电管理：锂电池充电管理采用Texas Instruments公司的锂电池充电管理芯片BQ24610。该芯片最多可以对6 Cell的锂电池进行充电。充电接口用于外部电压的输入，对锂电池组进行充电。
（3）控制器：控制器采用Silicon Labs的C8051F040，控制器主要完成对锂电池监控、锂电池充电管理以及继电器切换的控制。控制器与锂电池监控采用SPI接口进行通信，控制锂电池监控芯片LTC6803-4完成电压测量、过压过放以及电阻均衡放电控制。控制器与锂电池充电管理采用GPIO进行通信，控制锂电池充电管理芯片BQ24610完成锂电池的充电，充电状态指示。控制LCD1602显示，完成BMS信息的显示，以及各种系统状态进行指示。
（4）LCD显示：LCD显示采用标准LCD1602，该LCD可以显示2行，16列，一共32个字符。用于显示BMS信息，包括各个Cell的电压，过压过放显示等。
（5）锂电池组：锂电池组采用Panasonic的NCR18650A，该锂电池具有3100mAh容量。
2 电路设计
2.1 锂电池充电管理电路设计
锂电池充电管理电路如图2所示。BQ24610是德州仪器公司生产的具有系统电源选择和低静态电流的独立、同步、开关模式锂或者锂聚合物电池充电器。BQ24610使用方便，设计时只需要完成：（1）用电阻分压器设定BQ24610的引脚ISET1、引脚ISET2和引脚ACSET的电压，从而分别设定锂电池充电曲线中的快充电流、预充电流和启动动态电源管理的电流。用电阻分压器设定引脚VFB的电压，从而设定锂电池充电曲线中的充电电压；（2）BQ24610属于同步Buck控制器，设计时通过Buck拓扑结构中输入电容、输出电容、电感和MOSFET的参数计算，选择满足设计需求的输入电容、输出电容、电感和MOSFET。（3）此外，还包括用来实现动态电源管理的三个MOSFET的选择，分别是引脚ACDRV驱动的两个背靠背的MOSFET和引脚BATDRV驱动的一个MOSFET，设计时需综合考虑燃料电池的电压电流和锂电池的电压电流，选择满足设计需求的MOSFET。
2.2 锂电池监控电路设计
锂电池监控电路如图3所示。包括锂电池监控芯片LTC6803-4，以及P Channel和功率电阻构成的电阻放电电路。该电路最多可以同时对12 Cell的锂电池进行监控。LTC6806-4左边为MOSFET控制开关的电阻放电电路，共12组。图中33R电阻为功率电阻，用于对单体电池进行电阻放电。发光二极管和475R电阻构成LED指示灯电路，当LTC6803-4控制MOSFET导通时，LED指示灯亮，MOSFET截止时，LED指示灯灭。3.3K、100R、0.1uF以及N Channel MOSFET RQJ0303PGDQA构成MOSFET开关电路，LTC6803-4控制MOSFET导通与否，控制单体电池对功率电阻放电，从而实现电阻均衡。
LTC6803-4 Pin 1V+是电源供电引脚，输入电压54V，R45和C9构成RC滤波电路。32 Pin VREG是线性电压调整输出引脚，必须外接一个1uF的旁路电容。Pin 31 VREF是3.065V电压参考输出，必须外接一个1uF的旁路电容。CSBI、SDO、SDI和SCKI是SPI接口，连接到控制器的SPI接口。由于系统只采用一片LTC6803-4，因此，A0、A1、A2和A3连接到地，将地址固定为0。
4 结论
设计了一种基于LTC6803的锂电池管理系统（BMS）。系统由锂电池监控、锂电池充电管理、控制器、LCD显示和锂电池组。并实际制作了样机，测试系统各项数据和指标，均达到预期目标，取得了良好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 肖湘宁，陈征，刘念.可再生能源与电动汽车充放电设施在微电网中的集成模式与关键问题[J].电工技术学报，2013，28（2） ：1-14.
[2] 陈渊睿，伍堂顺，毛建一.动力锂电池组充放电智能管理系统[J].电源技术，2009，33（8）：666-670.
[3] 杨书华，邹鹏，石文荣，等.锂离子电池能量均衡系統研究[J].电子技术应用，2013，39（11）：60-66.
