分析鋰電池動力電源單體電池電壓檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 健，張鐵軍

（1.南京軍事代表局駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無錫 214035；2.無錫北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫 214028）

0 引 言

對于鋰離子蓄電池，更多是通過多節(jié)單體電池串聯(lián)的方式應(yīng)用，也只有這種方法才符合動力電源電壓提出的諸多要求。電池性能直接影響使用壽命，制作工藝和散熱條件等都是非常重要的影響因素。單體電池溫度和電流檢測這兩項(xiàng)工作操作難度較低，其中溫度檢測建議使用熱敏電阻和數(shù)字式溫度傳感器，電流檢測建議通過霍爾電流傳感器進(jìn)行。串聯(lián)鋰離子蓄電池組是為了確保應(yīng)用期間的安全性，并延長使用期限，建議在工作中運(yùn)用電壓檢測系統(tǒng)，對單體電池電壓和電流等進(jìn)行檢測，可以避免單體電池過充和過流等現(xiàn)象的發(fā)生。

1 電壓檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文主要以LTC6803系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。該系統(tǒng)控制接口采用電流型SPI總線，單芯片能夠用于鋰電池電壓檢測和均衡控制兩項(xiàng)工作。系統(tǒng)主要采用可堆迭結(jié)構(gòu)，為用戶提供更大規(guī)模的電壓檢測系統(tǒng)[1]。芯片待機(jī)期間不會產(chǎn)生很大的功耗，若在備用模式狀態(tài)，功耗僅為12μA。芯片的轉(zhuǎn)化速度比較快，13 ms便可以結(jié)束電池測量，自測試功能電路和導(dǎo)線開路連接故障檢測功能為操作提供便利性。

鋰離子蓄電池管理芯片在電池電壓檢測系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，主要是以總線管理和SPI總線兩個設(shè)備完成通信操作，SPI總線將運(yùn)行指令發(fā)布到指令解析器中，分析之后以數(shù)據(jù)寄存器讀出總線指令。單體電池電壓檢測和均衡控制功能的發(fā)揮主要是依靠數(shù)據(jù)寄存器，同時使用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路選通器，全面采集所有單體電池的電壓，并將最終所得結(jié)果儲存在電壓寄存器，利用SPI總線向主控制器傳輸結(jié)果。

電壓檢測系統(tǒng)內(nèi)部的STM32F103RCT6為SPI總線主機(jī)，電池管理單元主要依靠LTC6803芯片得以運(yùn)行，并且在電流型SPI總線的幫助下將諸多單元級聯(lián)處理。電池管理單元針對單體鋰離子電池進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督，以Linear Technology企業(yè)所制定的方案進(jìn)行控制電路設(shè)計(jì)[2]。

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，操作期間依然存在一些問題，具體如下：（1）LTC6803模數(shù)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行期間若出現(xiàn)問題或者故障，會延緩電壓寄存器數(shù)據(jù)更新速度，如果情節(jié)嚴(yán)重將直接導(dǎo)致更新停止，始終顯示最終運(yùn)行結(jié)果。因此，控制系統(tǒng)將會自動確認(rèn)電池電壓數(shù)據(jù)的停止變化；（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行期間存在一些影響因素，影響一路與多路數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致誤差增大；（3）對于一些特殊的應(yīng)用場合，電壓檢測系統(tǒng)集成12位AD無法支撐電壓分辨率的測量工作。

要想徹底解決這些問題，必須要使用相對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式，利用軟件修正數(shù)據(jù)。

2 電壓檢測系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

電壓檢測系統(tǒng)控制程序是在SPI總線主機(jī)控制器內(nèi)運(yùn)行的MCU程序，管理系統(tǒng)應(yīng)用程序發(fā)出具體指令，控制程序則負(fù)責(zé)進(jìn)行采集和處理單體電壓數(shù)據(jù)等一系列工作。

電池管理單元運(yùn)行過程中會發(fā)出控制指令和具體數(shù)據(jù)，若要處理這些指令和數(shù)據(jù)，需要控制程序發(fā)揮作用，包括SPI總線管理器、電池管理單元數(shù)據(jù)映像和數(shù)據(jù)處理等[3]。SPI總線管理是SPI總線驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)更新；電池管理單元數(shù)據(jù)映像是MCU中LTC6803主要寄存器體現(xiàn)的所有數(shù)據(jù)映像；運(yùn)行調(diào)度器在控制程序中是對單體電池管理程序進(jìn)行調(diào)配，向管理系統(tǒng)應(yīng)用程序發(fā)送指令。

2.1 獲取單體電池電壓

電池管理單元內(nèi)單體測控通道不管數(shù)量如何，讀取單體控制器都會將其控制在12個。數(shù)據(jù)分析過程中，對于不需要的數(shù)據(jù)需要及時剔除。這一方式可以將硬件電路設(shè)計(jì)和程序編寫等簡化處理。

單體電壓讀取程序運(yùn)行過程中，獲取單體電壓一般是在LTC6803結(jié)束單體電池電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行。為了保證LTC6803模數(shù)轉(zhuǎn)換器效果，模數(shù)轉(zhuǎn)換前必須將電壓寄存器原本儲存的數(shù)據(jù)清除，將MCU程序內(nèi)部的AD數(shù)據(jù)進(jìn)行有效驗(yàn)證，從而提高所有數(shù)據(jù)的有效性。當(dāng)LTC6803發(fā)出數(shù)據(jù)寄存器清除指令時，SPI總線會在1ms后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，使其成為OxFF的格式。然后，控制程序會發(fā)出采集指令，采集電池管理單元單體電池電壓，13 ms后便可以完成電壓采集工作。若控制程序所獲取的電壓值并非OxFF，便可以認(rèn)定硬件系統(tǒng)運(yùn)行正常[4]。

電壓轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)應(yīng)用程序需要與運(yùn)行調(diào)度器配合，運(yùn)行調(diào)度器負(fù)責(zé)管理程序的主要延時量和調(diào)用周期，也是管理系統(tǒng)應(yīng)用程序調(diào)用最為關(guān)鍵的依據(jù)。若與調(diào)用要求不符，便要即刻推出電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取操作，MCU被交還到管理系統(tǒng)應(yīng)用程序中。

一般LTC6803電壓測量數(shù)據(jù)精確度非常高，通過計(jì)算可得分辨率為VLSB=1.5 mV，與使用要求相符。因?yàn)殡妷簷z測系統(tǒng)適應(yīng)性和抗干擾性能等的提升，實(shí)際操作中選擇了均值濾波法。各個采樣點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)連續(xù)獲取8次，然后求取平均值，以最終計(jì)算結(jié)果作為單體電池電壓。通過實(shí)際操作可以有效提升模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，使其從原來的12位提升到15位，分辨率VLSB=0.19 mV。換而言之，采集系統(tǒng)數(shù)值跳動值＜0.2mV。通過相應(yīng)的實(shí)踐操作可知，上述方法應(yīng)用過程中有利于提高抗干擾能力和電壓檢測系統(tǒng)分辨率。

2.2 單體電壓值定標(biāo)

LTC6803應(yīng)用提出了非常嚴(yán)格的要求，芯片測量精確度和應(yīng)用要求相符，所以無需數(shù)字定標(biāo)。但是，生產(chǎn)期間存在的一些不可抗性，會對模數(shù)轉(zhuǎn)換通話測量精度造成影響，或是模塊轉(zhuǎn)換通道無法達(dá)成一致，針對這些問題，建議結(jié)合測試實(shí)際狀況選擇是否需要單體控制器數(shù)字定標(biāo)操作[5]。

若操作過程中其中一條通道檢測數(shù)據(jù)存在誤差，檢測系統(tǒng)的檢測值便會出現(xiàn)錯誤，直接導(dǎo)致所有檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。檢測系統(tǒng)必須具備良好的線性度，才能保證電壓檢測的有效性。標(biāo)定操作中高精度儀表標(biāo)定完成便可以將電壓值作為實(shí)際輸入量，電壓檢測系統(tǒng)對數(shù)值進(jìn)行讀取后，便可以確定計(jì)算需要的原始參數(shù)。

2.3 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)

測試系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件、控制器和電池管理單元三部分。測試對象為15節(jié)磷酸鐵鋰蓄電池，標(biāo)稱電壓是3.2V。單體電池串聯(lián)，按照8節(jié)、7節(jié)電池的原則分配電池管理單元。應(yīng)用單體電壓值定標(biāo)法進(jìn)行系統(tǒng)測試。模擬單體電池電壓時，正弦波動的電壓信號參數(shù)設(shè)置如下：電壓最大值和最小值分別為3.7 V和2.7 V，周期是2000 ms，采集系統(tǒng)電壓數(shù)據(jù)采樣間隔為20 ms。通過此方法得出最終結(jié)果如下：此次測試過程中采樣點(diǎn)共計(jì)100個，誤差值約為12mV，整體來說較小。鋰電池動力電源單體電池電壓檢測對精度的要求并不嚴(yán)格，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，定標(biāo)后系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和分辨率非常高[6]。

15節(jié)串聯(lián)鋰離子蓄電池基于相應(yīng)的電壓檢測系統(tǒng)內(nèi)所得到的單體電池電壓數(shù)據(jù)存在很大差異，具體見表1。表1記錄了10個串聯(lián)鋰離子蓄電池的檢測電壓、實(shí)測電壓和誤差。分析后可以確定，定標(biāo)后的系統(tǒng)在電池電壓檢測過程中精準(zhǔn)度非常高，但是檢測誤差較大。主要原因是實(shí)驗(yàn)過程中使用的高精度儀表盡管精度高，但是手動測試期間會有人為操作和讀取方面的誤差，這是需要注意的關(guān)鍵性問題。

表1 各個單體電池電壓試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

綜上所述，立足于LTC6803設(shè)計(jì)單體電池電壓檢測系統(tǒng)，相關(guān)人員需要了解設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)和分析掌握電壓檢測分辨率與測量誤差，完成電壓檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。此外，文章總結(jié)了幾點(diǎn)有效的軟件定標(biāo)法，為測試系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保證，使電壓檢測系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，同時也為今后鋰電池動力電源單體電池產(chǎn)品的研發(fā)提供了參考。