引言纯电动汽车(BEV)因噪音小、污染小等优势被广泛使用[1]。新能源汽车中，动力电池的性能较为重要。动力电池组一般是由多个电池单体串、并联组装而成。因此，电池组的实际放电量取决于电池组中容量最少的电池单体。电池组串联数量越多，对电池组放电容量的影响越大；电池组的利用率越低，越影响充放电容量和续航时间。为有效解决此问题，需要实时监测每个电池单体的状态，将采集到的数据传递给上位机进行均衡处理。可重构广义上指根据实际情况灵活变动，这个概念已被广泛应用到各领域。陈韬[2]等通过对11个常见杂凑算法运算电路特征分析，设计了可重构的运算电路。孙建国[3]等基于多种动态可重构视觉计算，提出了一种动态可重构视觉计算架构，提升了计算模块的高效计算能力。吴铁洲[4]等基于可重构电路，提出两级均衡方法，提高了电池组的均衡效率。基于一套15并20串的圆柱形三元锂动力电池模组，对电池充放电不均问题，提出一种可重构电源监测模块的设计。该电源监测模块旨在通过改变硬件线路的连接，利用不同的计算系统，达到可重构的目的。1原理分析理想状况下，各电池单体的充、放电应保持同步，而实际却存在差异，因为生产过程中，电池组生产工艺不同导致充、放电存在差异；也可能因为外界环境因素，且外因逐步积累能够放大电池单体间的差异[5]。电池单体的电压和容量是影响电池组一致性的较大因素。其中，电压较容易被监测，容量可通过计算得出[6]。电源监测模块的作用是监测每串电池的电压，比较电压差异，若差异较大则适时做出调整。在实际生产应用中，为了让该模块具有普适性，拟通过改变硬件的连接方式，实现监测不同串数的电池组。该设计通过采集每个电池单体的电压、电流和温度等参数，将采集到的数据反馈给主控芯片，经过均衡处理，以达到电压均衡的目的。2监测模块设计2.1芯片选型LTC6804芯片可以同时监测12个串接电池的电压，总测量误差低于1.2 mV，能够监测0~5 V的电池单体[7]，能够在290 μs之内完成12节电池电压的测量，并可以选择较低的数据采集速率以实现高噪音抑制。LTC6804芯片分为两种：采用LTC6804-1时，多个芯片之间采用菊链式连接，且所有芯片采用1根主处理器接线；采用LTC6804-2时，多个芯片并连接至主处理器，且对每个芯片采用独立寻址的方式。针对20串电池单体，拟采用2片LTC6804-1芯片对电池单体的电压和电流进行监测。隔离传输部分，选用的是集成DC/DC转换器的四通道隔离器ADuM5401。在采用5 V或3.3 V电压时，可提供最高500 mV调节离功率。因此在低功耗隔离设计中，无须使用单独的隔离DC/DC转换器。2.2电路搭建2.2.1采集模块采集模块单元包括1片LTC6804-1芯片，1个16pin插针母座以及其他元件，LTC6804-1芯片的电压采集单元如图1所示。电池组的监测模块设计所需要的监测对象为20串电池，故采用2片LTC6804-1芯片对电池单体的电压进行监测。将监测的电池模组分为12串和8串两部分，分别使用1片LTC6804-1芯片分别进行监测。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.017.F001图1LTC6804-1芯片的电压采集单元LTC6804-1芯片内部采用ΔΣ型ADC，其转换速度较快时，高速瞬态噪声在测量回路中产生残留噪声。在每个ADC输入上设计1个串联电阻和接地电容构成RC低通滤波电路，抑制电池电压纹波，将高频噪声耦合到芯片的V引脚[7]，可抑制噪声干扰，减小系统误差；在相邻两个电压输入管脚CN-1和CN之间放置1个电容，可以有效保护芯片的输入端口，防止外界浪涌和瞬变脉冲干扰输入电压信号；在每个ADC输入上接1个熔断丝进行限流保护，可以使得采集电路更安全。2.2.2被动均衡电路LTC6804-1芯片的被动均衡电路如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.017.F002图2LTC6804-1芯片的被动均衡电路由图2可知，CN、CN-1和SN之间的被动均衡电路布置状态。利用外部MOSFET电池平衡时，LTC6804-1芯片的每个S输出包括1个内部上拉PMOS晶体管，使得S引脚能够充当1个适合驱动外部MOSFET栅极的数字输出。2.2.3LTC6804-1芯片级联电路LTC6804-1芯片支持ISOSPI总线将多个器件以菊花链的方式进行级联。2片芯片分别位于2块PCB板上板间级联。网络隔离芯片TG110-E050N5更好地抑制共模噪声，一边接第1片LTC6804-1芯片，另一边接口引出方便连接另1块LTC6804-1芯片。LTC6804-1芯片的级联电路如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.017.F003图3LTC6804-1芯片的级联电路LTC6804-1芯片具有A和B两个串行端口，端口B始终被设置为1个两线式接口（主控器），终接至RM，菊花链中最后1个器件不使用该端口。根据ISOMD引脚连接方式，端口A是1个两线式或四线式接口（受控器），当ISOMD连接至VREG为1个两线式接口，当ISOMD连接至V-为四线式接口。将ISOMD引脚引出接到1个排针上，通过外部的接线选择模式。ISOSPI发送器驱动电流和比较器门限电压由1个位于IBIAS和V-之间的电阻分压器RIBIAS(R25+R26)构成。经分压后电压连接至ICMP引脚，比较器门限电压VTCMP设定为该电压的0.5。当任一ISOSPI接口被使用时，IBIAS维持在2 V，流出IBIAS引脚电流为IB，IP和IM引脚驱动电流为20×IB。选取R25=R26=1 kΩ，电流IB公式为：IB=2VR25+R26 (1)解得：IB=1 mA。电流IDRV公式为：IDRV=IIP=IIM=20×IB (2)解得：IDRV=20 mA。电压VICMP公式为：VICMP=2V×R26R25+R26=IB×R26 (3)解得：VICMP=1 V。电压VTCMP公式为：VTCMP=0.5×VICMP (4)解得：VTCMP=500 mV，则脉冲驱动电流IDRV为20 mA。2.2.4通信隔离模块通信隔离模块如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.017.F004图4通信隔离模块ADuM5401为该模块主芯片，DC/DC转换器部分工作原理与多数电源相同。VDD1为振荡电路提供电源，将开关电流输入1个芯片级空芯变压器，传输至副边电源经整流调整3.3 V或5 V。VSEL脚作用为输出电压选择，当VSEL=VISO时，VISO设定点5 V；当VSEL=GNDISO时，VISO设定点3.3 V。VSEL引出线均串联1个0 Ω电阻。做电压选择时，焊接贴片元件需焊接选定线路上的0 Ω电阻，另1条线路上的0 Ω电阻视为开断状态，满足VSEL脚输出电压选择功能；高频信号下充当电感或电容，具有抑噪功能；芯片输入端分别选择1 MΩ和4.7 kΩ上拉电阻，提高芯片输入信号噪声容限，增强抗干扰能力，起到限流作用。2.2.5可重构电路设计LTC6804芯片监测数目少于12的电池模组时，芯片由电池组供电，则LTC6804所能监测的最小电池数目受电池电压影响。芯片包括ADC1和ADC2，1个ADC连接1个内部多路复用器，测量6个输入。ADC1连接的多路复用器的输入引脚为C0-C6，ADC2连接的多路复用器的输入引脚记C6-C12，共用C6脚用以实现2个ADC间连接。监测8串电池的LTC6804-1芯片连接方法为2个多路复用器分别监测4串电池，顶端C12多路复用器中，C12与C11通道未用，连接一起需要通过1个100 Ω电阻接至电池组。顶端C6多路复用器中，C6与C5通道未用，连接一起需要通过1个100 Ω电阻接至电池组，得到1个0 V的输入。3方案验证为验证设计方案的可行性，拟采用1个12 V电源和1个包括8个电阻的电阻串进行监测验证。将监测模块外接1块核心板作为主控板，采集板通过SPI将采集到电压电流等数据传递给主控板，经板上外接的显示模块将信息显示出来，搭好硬件电路后将12 V电源加在电阻串的两侧，用电阻两端的电压模拟电池组中电池单体电压，采用万用表监测电阻两端电压。不同时刻进行多次测量，且分别将采集板的采样值和万用表的实测值进行分析比较。采样值和实测值间最大误差为1.1 mV，其他最大误差不超过1 mV。可知，LTC6804-1芯片的采样值准确度高，同组数据中的最大数值差为5.4 mV，均衡电压功能通过硬件被动均衡和软件程序均衡得到很好的实现。模型调试后，电压采集板通过菊花链式级联后用于监测20串电池模组，一块接12串电池串，另一块接8串电池串。不同时刻多次测量，且分别将采集板的采样值和万用表的实测值进行比较。多次测得的数据进行处理，20串三元锂电池采样与实测值数据如表1所示。测量结果误差低于1.2 mV，该级联方案可以完成对20串电池的监测。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.017.T001表120串三元锂电池采样与实测值数据项目1234…1617181920采样值/V3.917 93.918 23.918 33.920 1…3.921 23.922 43.921 03.920 13.860 6实测值/V3.917 33.917 23.917 33.920 5…3.921 63.922 63.920 13.919 33.861 7误差/%0.015 30.025 50.025 50.010 2…0.010 20.005 10.022 90.020 40.028 54结语LTC6804-1芯片内部具有独特的ADC和多路复用器结构，以芯片作为电源监测模块的主芯片，可用于监测不同电池串数的电路以及2块位于PCB上的LTC6804-1芯片级联方法，完成15并20串三元锂电池监测电路的设计，该设计可为其他相关研究提供参考和借鉴。