鋰電池動力電源單體電池電壓檢測系統(tǒng)設(shè)計

于志豪，常龍，張瑞雪，肖林京，劉韜

(1.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.兗礦集團機電部，山東 濟寧 273500)

YU Zhi-hao1,CHANG Long1,ZHANG Rui-xue1,XIAO Lin-jing1,LIU Tao2

鋰電池動力電源單體電池電壓檢測系統(tǒng)設(shè)計

于志豪1，常龍1，張瑞雪1，肖林京1，劉韜2

(1.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.兗礦集團機電部，山東 濟寧 273500)

運用單片機(MCU)和電池管理專用芯片(IC)LTC6803構(gòu)成了串聯(lián)鋰電池組單體電壓檢測系統(tǒng)。多個以LTC6803芯片為核心的電池管理單元通過電流型SPI總線實現(xiàn)級聯(lián)，以單片機作為SPI總線主機，實現(xiàn)了大規(guī)模串聯(lián)電池組單體電池的電壓檢測。研究了單體電池檢測數(shù)據(jù)可靠性的提高方法以及數(shù)字定標方法，通過均值濾波和數(shù)字定標等方法提高了電壓檢測的分辨率并降低了測量誤差。100個連續(xù)數(shù)據(jù)點檢測實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的單體電池電壓檢測誤差小于2mV。

鋰電池；電壓檢測；SPI總線；定標方法

鋰離子蓄電池在應(yīng)用中通常使用多節(jié)單體電池串聯(lián)成組，以滿足動力電源的電壓需要[1]。電池的制作工藝、散熱條件不同以及使用過程中內(nèi)阻和容量的變化等原因，均可能導致電池性能不一致[2]。為確保串聯(lián)鋰離子蓄電池組的使用安全提高其使用壽命，應(yīng)使用電源管理系統(tǒng)對每節(jié)單體電池的電壓、電流、溫度進行在線實時檢測[3]，防止單體電池過充、過放、過流、過溫[4]。

單體電池溫度和電流的檢測相對簡單，溫度檢測可采用熱敏電阻或數(shù)字式溫度傳感器[5]，電流檢測可采用霍爾電流傳感器或分流電阻檢測[6]。串聯(lián)電池組中共模電壓的存在[7]導致單體電池電壓檢測相對困難。Linear Technology的電源監(jiān)視芯片LTC6803采用了電流型的SPI總線，實現(xiàn)了可堆迭式的架構(gòu)，很好地消除了共模電壓的影響。本文以LTC6803配合ST公司的ARM-Cortex芯片STM 32F103RCT6實現(xiàn)了一套串聯(lián)規(guī)?？烧{(diào)的鋰離子蓄電池動力電源單體電池電壓檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

LTC6803采用電流型的SPI總線作為控制接口，單芯片可實現(xiàn)12節(jié)鋰電池的電壓檢測與均衡控制等功能。其可堆迭式的架構(gòu)允許用戶將多片芯片級聯(lián)以構(gòu)成規(guī)模更大的電壓檢測系統(tǒng)。該芯片的待機功耗極低，在備用模式下的功耗僅為12μA；轉(zhuǎn)化速度非?？欤稍?3ms內(nèi)完成一個系統(tǒng)內(nèi)所有電池的測量；其內(nèi)置的自測試功能電路及導線開路連接故障檢測功能等為用戶的使用提供了極大的方便。

圖1給出了鋰離子蓄電池管理芯片LTC6803用于電池電壓檢測的功能結(jié)構(gòu)圖。該芯片通過內(nèi)置的總線管理器與SPI總線進行通信，并從SPI總線獲取運行指令；通過指令解析器對總線指令進行解析，最終通過內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的讀寫來實現(xiàn)相應(yīng)的總線指令。單體電池電壓的檢測與均衡控制功能通過數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)，內(nèi)置的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器在多路選通器的配合下對12只單體電池的電壓進行采集，采集結(jié)果存貯于電壓寄存器中，最終會通過SPI總線傳輸給主控制器。

圖1 LTC6803功能結(jié)構(gòu)

圖2給出了串聯(lián)鋰離子蓄電池組的電壓檢測系統(tǒng)，其中STM 32F103RCT6作為SPI總線主機，以LTC6803芯片為核心的電池管理單元通過電流型SPI總線實現(xiàn)多個單元的級聯(lián)。每個電池管理單元監(jiān)控12節(jié)單體鋰電池，控制電路均按Linear Technology公司推薦方案進行設(shè)計。以79塊單體電池串聯(lián)的蓄電池動力電源為例，79/12＝6余7，共需7個電池管理單元，其中最后一個電池管理單元管理最后7塊單體電池。

圖2 串聯(lián)鋰離子蓄電池組的電壓檢測系統(tǒng)

上述方案較好地解決了串聯(lián)鋰離子蓄電池組的電壓檢測與均衡控制等問題，但在實際使用中仍存在如下問題：

（1）LTC6803的模數(shù)轉(zhuǎn)換器故障時會導致電壓寄存器中的數(shù)據(jù)不更新，仍保存著最后一次正確運行的結(jié)果，最終使控制系統(tǒng)誤認為電池電壓的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化；

（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器會因不可預知因素的影響導致一路或多路數(shù)據(jù)采集結(jié)果誤差偏大；

（3）在特殊應(yīng)用場合下，系統(tǒng)內(nèi)部集成的12位AD對實際測量電壓的分辨率略顯不足。

上述問題完全可以通過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，并通過軟件實現(xiàn)對其進行修正。

如此看來，無可辯駁的證據(jù)已經(jīng)準備妥當，只需妻子步入相關(guān)部門或是發(fā)到網(wǎng)上。自己距離類似案例的下場，只有一步之遙了。

2 控制程序的實現(xiàn)

控制程序是指運行于SPI總線主機控制器(STM 32F103RCT6)中的MCU程序，控制程序受管理系統(tǒng)應(yīng)用程序的調(diào)度完成單體電壓數(shù)據(jù)的采集、處理及均衡等主要工作。

各電池管理單元的控制指令及數(shù)據(jù)的處理均由控制程序?qū)崿F(xiàn)?？刂瞥绦蚪Y(jié)構(gòu)主要包括SPI總線管理器、電池管理單元的數(shù)據(jù)映像、數(shù)據(jù)處理等、運行調(diào)度等，如圖3所示。其中SPI總線管理是指SPI總線的驅(qū)動程序。電池管理單元的數(shù)據(jù)映像為各電池管理單元中LTC6803的主要寄存器在MCU中的數(shù)據(jù)映像，由SPI總線管理器負責對該映像數(shù)據(jù)進行定期更新。運行調(diào)度器負責整套單體電池管理程序的調(diào)度，并為管理系統(tǒng)應(yīng)用程序提供指令接口。電池管理單元的運行數(shù)據(jù)由管理系統(tǒng)應(yīng)用程序直接從數(shù)據(jù)映像區(qū)讀取。

圖3 電池管理單元的程序結(jié)構(gòu)

2.1 單體電池電壓的讀取

無論電池管理單元實際使用了多少個單體測控通道，控制程序中都讀取單體控制器的12個通道的電壓寄存器。在數(shù)據(jù)分析階段將不用的數(shù)據(jù)剔除。這種方法有效地簡化了硬件電路的設(shè)計和程序編寫的復雜度。

單體電壓讀取程序流程如圖4所示。單體電壓的讀取應(yīng)在LTC6803完成了所有單體電池電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行。同時為確保LTC6803的模數(shù)轉(zhuǎn)換器運行正常，應(yīng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前將電壓寄存器中的數(shù)據(jù)清空，并在MCU程序中對讀取到的AD數(shù)據(jù)進行驗證以確保數(shù)據(jù)的可靠性。LTC6803提供了清空數(shù)據(jù)寄存器的相關(guān)指令，SPI總線下發(fā)該指令1ms后電壓寄存器的數(shù)據(jù)即全部變成0xFF。此后控制程序以采集指令的形式通知各電池管理單元進行單體電池電壓的采集，采集指令下發(fā)13ms后即認為電壓采集完成。如果控制程序在各電池管理單元完成電池電壓采集后讀取的電壓值不是0xFF，即認為硬件系統(tǒng)工作正常。

圖4 單體電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取

圖4中的電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取程序由管理系統(tǒng)應(yīng)用程序通過圖3中的運行調(diào)度器進行調(diào)用，運行調(diào)度器管理著該程序的兩個主要延時量和調(diào)用周期，并以此作為是否允許管理系統(tǒng)應(yīng)用程序調(diào)用的判據(jù)。如果不符合調(diào)用條件即退出圖4所示的程序，并將MCU交還管理系統(tǒng)應(yīng)用程序。

LTC6803電壓測量精度為12位，其有效量程為－0.768～5.736 V，分辨率為：

基本滿足使用要求。但考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)能力、抗干擾能力及精度的進一步提高，采用了均值濾波方法。實際應(yīng)用中每個采樣點連續(xù)讀取8次電壓數(shù)據(jù)，取平均值作為單體電池的電壓。實際效果相當于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率提高到了15位。提高了分辨率后的電壓分辨率為：

即采集系統(tǒng)數(shù)值跳動值可小于0.2mV。實踐證明，上述方法的采用在提高抗干擾能力的同時也提高了系統(tǒng)的分辨率。

2.2 單體電壓采集的數(shù)字定標

參考LTC6803使用手冊，該芯片的測量精度可以滿足實際使用要求[8]，不需數(shù)字定標。但考慮到實際生產(chǎn)過程中的各種不可預測因素會導致某個模數(shù)轉(zhuǎn)換通話的測量精度達不到使用要求，或各模塊轉(zhuǎn)換通道的一致性達不到使用要求，可根據(jù)實際測試情況有選擇地對單體控制器進行數(shù)字定標。

圖5中1#線為實際所需的高精度校準曲線，如某通道的檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了誤差，則檢測系統(tǒng)所給出的檢測值可能會以圖中2#線所示的特性給出。很明顯2#線與1#線在所有的AD值區(qū)間內(nèi)都存在誤差。只要檢測系統(tǒng)有較好的線性度，則完全可以通過簡單的數(shù)學變換將2#線映射到1#線上。

圖5 單體電池電壓采集定標原理

圖5中，AB和CD兩條直線分別以4個點確定，標定時可將高精度儀表標定后的準確電壓值作為輸入量，檢測系統(tǒng)讀取AD值后確定AB兩點的坐標，并以這兩個點的坐標為原始參數(shù)計算出1#線的主要參數(shù)。假設(shè)1#線為=+，只要通過AB兩點的直線確定出1#線的與即可?？紤]到定標的可操作性，在實際系統(tǒng)定標中將A點電壓選為2 V，B點電壓選為4V。定標后各通道的相應(yīng)參數(shù)與寫入Flash中供數(shù)據(jù)采集程序中數(shù)據(jù)處理階段直接使用。

3 測試系統(tǒng)與實驗數(shù)據(jù)

測試系統(tǒng)包括了一套上位機軟件、一個控制器和兩塊電池管理單元，測試對象為15節(jié)標稱電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰蓄電池。15節(jié)單體電池全部串聯(lián)，前8節(jié)電池用一套電池管理單元，后7節(jié)電池用另外一套電池管理單元。

將2.2節(jié)中所討論的方法應(yīng)用于圖2所示的測試系統(tǒng)。以最大值為3.7 V，最小值為2.7 V，周期為2 000ms正弦波動的電壓信號對最頂端（共模電壓最高）的單體電池電壓進行模擬，采集系統(tǒng)每20ms采樣一次電壓數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖6所示。圖6中共計出現(xiàn)了100個采樣點，其誤差值約為±2mV，誤差值極小。在實際應(yīng)用中對精度要求不會過高，但該數(shù)據(jù)反映出定標后的系統(tǒng)已具備了較高的準確度與分辨率。

15節(jié)串聯(lián)鋰離子蓄電池在不同電壓檢測系統(tǒng)中檢測出的不同單體電池電壓數(shù)據(jù)如表1所示。表1中同時給出了以6位半的數(shù)字電壓表實測的各單體電池電壓數(shù)據(jù)。由表1可知定標后的系統(tǒng)在實際電池電壓檢測中表現(xiàn)出了較高的精度，但檢測誤差比圖6所示的實驗結(jié)果偏大。究其原因在于實驗所用的高精度儀表雖具備了較高精度，但在手動測試過程中存在人員操作與讀取所引入的誤差。

圖6 實驗結(jié)果

表1 不同單體電池電壓實驗數(shù)據(jù)

4 小結(jié)

本文設(shè)計了一套基于LTC6803的單體電池電壓檢測系統(tǒng)，給出了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對電壓檢測的分辨率和測量誤差提出了提高數(shù)據(jù)可靠性的方法和軟件定標的方法，以測試系統(tǒng)的測試結(jié)果驗證了該方法的可行性。

[1]王佳元，孫澤昌，魏學哲，等.電動汽車動力電池分選方法研究[J].電源技術(shù)，2012，36(1)：94-98.

[2]陳召勇，張建利，朱華麗，等.LiFePO4的制備及其充放電過程中的結(jié)構(gòu)演變和性能研究[J].合成化學，2009，17(4)：422-427.

[3]李成學，楊大柱.電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測[J].電源技術(shù)，2010，34(1)：80-83.

[4]KIM J,SHIN J,CHUN C,etal.Stable configuration of a Li-ion series battery pack based on a screening process for improved voltage/SOC balancing[J].IEEE Trans Power Electron,2012,27(1):411-424.

[5]于志豪，肖林京，常龍，等.一線總線溫度傳感器容錯搜索與節(jié)點定位方法[J].化工自動化及儀表，2013，40(6)：720-724.

[6]雷晶晶，李秋紅，龍澤，等.鋰電池組單體電壓精確檢測方法[J].電源技術(shù)，2012，36(3)：332-334.

[7]STUART T A,ZHUW.Modularized batterymanagement for large lithium ion cells[J].Journalof Power Sources,2011,196(1):458-464.

[8]肖林京，張瑞雪，常龍，等.礦用電機車磷酸鐵鋰蓄電池在線狀態(tài)檢測系統(tǒng)[J].煤礦機械，2013，34(4)：206-208.

Design of cell voltage detection system for Li-ion battery dynam icalpower

MCU and batterymanagement special chip(IC)LTC6803 were adopted to constitute cell voltage detection system of series battery.Severalbattery managementunits using LTC6803 as the core could be connected in series by current type SPIbus,using MCU as the master of SPIbus,realizing the cell voltage detection of large scale series battery.The methods of improving cell detection data reliability and digital calibration methods were studied. Through mean filter and digital calibration methods,the resolution of voltage detection was im proved,and the measurementerrorwas reduced.The detection experiment results of100 consecutive data points show that the cell voltage detection error of the system is less than 2m V.

Li-ion battery;voltage detection;SPIbus;calibrationmethod

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0832-03

YU Zhi-hao1,CHANG Long1,ZHANG Rui-xue1,XIAO Lin-jing1,LIU Tao2

2013-11-28

山東省科技發(fā)展計劃項目(2012GSF11606)

于志豪(1978—)，男，山東省人，講師，主要研究方向為鋰電池電源系統(tǒng)研究與應(yīng)用。