摘要：該文介紹了LTC680221芯片在鋰離子電池組均衡電路中的應用，設計的均衡電路以電池電壓為均衡判據，利用LTC680221芯片采集電壓、溫度，Atmega16L單片機通過SpI方式讀取電池組的電壓和溫度值，并進行相應均衡管理和電池組保護。

1、均衡電路工作原理

本文基于LTC680221鋰離子電池組管理芯片設計的電池組均衡電路，由取電系統(tǒng)、嵌入式處理器、LTC680221數據采集及均衡電路四部分構成，電路框圖如圖1所示。

取電系統(tǒng)是均衡電路的供電來源，電源取自鋰離子電池組，并供應給低功耗嵌入式處理器與LTC680221芯片。嵌入式處理器時均衡電路的核心，一方面通過SpI接口與LTC680221進行通信，另一方面對獲得的數據進行簡單的處理。數據采集電路重要由LTC680221芯片構成，該芯片內置了高精度AD轉換器，結合外部濾波電路可以對鋰離子電池組參數實現精確得采樣。LTC680221芯片均衡接口的特殊設計，能夠控制外部均衡電路進行工作，簡化了均衡電路。

1.1取電系統(tǒng)

LTC680221最多能夠管理12節(jié)串聯的鋰離子電池組，以萬向電動汽車有限公司生產的WX11I3215鋰離子電池為例，單體電池在使用過程中電壓在2.8—3.8V變化，12節(jié)WX11I3215串聯的鋰離子電池組在使用過程中電池組總電壓的變化范圍在33.6—45.6V。均衡電路中嵌入式處理器Atmega16LLTC680221均使用5V直流電源供電，因此取電系統(tǒng)的輸出電壓選擇為5V。由于均衡電路中采用的都是低功耗芯片，取電系統(tǒng)的輸出功率選擇5W。基于上述取電系統(tǒng)的寬電壓輸入的特殊性，本文中取電系統(tǒng)采用單片開關電源芯片TOpSwitch設計了一種具有輸入電壓范圍寬的開關電源。

1.2嵌入式處理器及SpI接口

本文選用Atmel公司的AVR系列處理器Atmega16L，該芯片具有16kb的在線編程Flash程序存儲器、512字節(jié)EEpROM、2kbSRAM、32個通用工作寄存器、32個通用I/O口，還具有SpI、USART等豐富的外設。同時，At2mega16L芯片具有低功耗貼片封裝可滿足低功耗均衡電路的設計要求，芯片豐富的內部資源及接口可以完成鋰離子電池組管理系統(tǒng)的各種功能。Atmega16L通過SpI總線與LTC680221進行通信。

LTC680221芯片SpI工作模式固定為CpHA=1，CpOL=1，字節(jié)發(fā)送高位在先，可以支持主機最大SpI移位頻率到1MHz。因此，在Atmega16L的SpI驅動函數編寫中SpI外設控制寄存器要有相同的配置。

本文設計的均衡電路中Atmega16L通過SpI總線讀取各電池電壓的AD轉換值，然后對電池電壓進行排序，選擇出最高電壓所對應的電池，接著發(fā)送指令控制LTC680221對均衡電路進行操作。軟件流程如圖2所示。

1.3LTC680221電壓采集與均衡電路設計

LTC680221芯片內置12位模數轉換器，集成了多路模擬開關和高精度基準源。芯片內置的AD轉換器能夠通過內部集成的多路模擬開關采集到電池組內單體電池的電壓，不要復雜的分壓網絡，從而方便了采集電路的設計。如圖3所示，LTC680221對各單體電池電壓信號分別通過RC低通濾波連接至LTC680221的C（n）引腳。RC低通濾波器消除了電壓信號中的高頻分量，使得采集的數據更加穩(wěn)定可靠。

LTC680221芯片除了電壓采集還具備均衡控制功能。本文設計的均衡電路如圖3所示，該電路重要由開關管和功率電阻組成，LTC680221通過控制開關管來實現高電壓電池的電量釋放。

2、測試2.1LTC680221SpI通信測試

LTC680221硬件配置根據在級聯結構中的位置可以分為3類：底層、中間層、頂層。底層指的是最低電位電池組模塊所對應的LTC680221，頂層指最高電壓電池組對應的LTC680221，而中間層是電壓值夾在中間的其他電池組模塊對應的LTC680221。3種位置在外圍電路配置上是有差異的，具體表現在VMODE、SDO、TOS3個管腳，如表1所示進行配置。其他硬件管腳在菊花鏈中的連接固定不變。

在實驗室條件下，對Atmega16L接收到的電壓數據與高精度電壓表UNI2TUT805直接測量數據進行比較，實驗中對4個通道的精度做了比較，如表2所示，LTC680221各個通道的測量誤差小于10mV。

2.2均衡效果測試

本文設計的基于LTC680221均衡電路在實驗室條件下做了0.2C恒定電流放電測試。測試中選擇4節(jié)pL603759鋰離子電池串聯的電池組，放電負載選用型號為IT8513B的可編程電子負載儀。使用均衡電路前電池組放電曲線如圖4所示，使用LTC680221均衡電路后電池組放電曲線如圖5所示，比較可以發(fā)現，均衡前單體電池最大壓差接近70mV，均衡后最大壓差接近20mV，使用了均衡電路后電池組內單體電池的能量一致性有比較明顯的改善。

3、結束語

采用LTC680221的均衡電路在4節(jié)電池組應用中得到測試，測試結果表明：本文設計的LTC680221均衡電路構成的鋰離子電池均衡電路具有元件需求少、所占空間小、均衡效果好，可靠性高等優(yōu)點，具有較高的實用價值。