基于LTC6804的電池監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

王越 楊玉新 李立偉

摘要：為解決電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池組的監(jiān)測(cè)及保護(hù)問(wèn)題，本文提出了一種可靠性高且實(shí)用的電動(dòng)汽車電池監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)方案。以意法半導(dǎo)體推出的STM32F103C8T6單片機(jī)和凌力爾特公司推出的LTC68042芯片為核心，基于一主多從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)中央處理單元、電池狀態(tài)采樣單元、均衡單元進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)編寫程序驅(qū)動(dòng)各單元工作，對(duì)動(dòng)力電池組的電池電壓、電流以及電池組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)均衡保護(hù)電路，降低各單體電池不一致性對(duì)動(dòng)力電池組造成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案具有測(cè)量精準(zhǔn)、可靠性高、可拓展性高的優(yōu)點(diǎn)，且生產(chǎn)成本較低。該研究具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;電池監(jiān)測(cè);均衡保護(hù);LTC6804

中圖分類號(hào)： TM912.9; U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 10069798（2019）01007005; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.012

隨著石油等傳統(tǒng)能源的不斷開(kāi)采，能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題已成為制約人類社會(huì)發(fā)展的重要因素。而新能源技術(shù)的發(fā)展，尤其是鋰電池的發(fā)展，使電動(dòng)汽車取代燃油汽車成為必然趨勢(shì)。動(dòng)力電池是決定電動(dòng)汽車各項(xiàng)性能的重要部件，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)保護(hù)是電動(dòng)汽車普及的重要推動(dòng)力，故電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）成為動(dòng)力電池的研究重點(diǎn)。動(dòng)力電池組一般由諸多單體鋰電池串聯(lián)組成，各單體電池因出廠質(zhì)量不一致、充放電循環(huán)等因素，導(dǎo)致電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題，嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的使用[15]。因此，采用BMS對(duì)電池組進(jìn)行狀態(tài)采集和均衡保護(hù)，為動(dòng)力電池組的健康使用提供了保障。目前，主動(dòng)均衡是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但主動(dòng)均衡存在成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性低和不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，且隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，各單體電池在使用過(guò)程中體現(xiàn)出的不一致性越來(lái)越小，在大多數(shù)情況下，通過(guò)被動(dòng)均衡便能解決各單體電池的不一致問(wèn)題[611]。基于此，本文提出一種可靠性高且實(shí)用的電動(dòng)汽車電池監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)方案。該方案采用STM32單片機(jī)為控制核心，配合電池監(jiān)測(cè)芯片LTC68042，在保證對(duì)電池狀態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，采用被動(dòng)均衡的方式對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定。該研究具有一定的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

1BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著BMS的發(fā)展，出現(xiàn)了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般將電池監(jiān)測(cè)單元分布到每一節(jié)單體電池，可管理的電池?cái)?shù)量較少，使成本及安裝的更加繁瑣[1213]。因此，本設(shè)計(jì)將采用一主多從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高可管理的電池?cái)?shù)量、增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的模塊化和可拓展性。一主多從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電池的狀態(tài)采集將由從控完成，從控通過(guò)總線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控，主控對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及策略分析后，通過(guò)總線向從控下達(dá)命令，從而使各電池組被集中管理。本文所設(shè)計(jì)的電池監(jiān)測(cè)單元即一主多從結(jié)構(gòu)中的從控，具有中央處理單元、電源模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、均衡管理模塊和CAN通訊模塊。

2中央處理單元設(shè)計(jì)

中央處理單元包括STM32及電源模塊、電氣隔離、CAN通訊模塊等構(gòu)成的外圍電路，是連接主控與電池組的橋梁。

2.1電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電池監(jiān)測(cè)單元整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。LTC6804負(fù)責(zé)電池組電壓采集、溫度采集及均衡控制，與STM32通過(guò)SPI進(jìn)行通訊，因兩者不共地，故通信中要加入電氣隔離;STM32與主控之間通過(guò)CAN總線通訊，每個(gè)從控相當(dāng)于CAN總線中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。選用的STM32F103C8T6單片機(jī)為32位微控制器，具有2路硬件SPI、3路USART串口、2路硬件IIC、1路CAN以及37個(gè)I/O口，完全滿足對(duì)芯片運(yùn)算性能和外設(shè)接口的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為顯示單片機(jī)程序的運(yùn)行狀態(tài)，在PA8引腳處接一只LED燈，通過(guò)定時(shí)器控制其按一定頻率閃爍，判斷單片機(jī)的運(yùn)行是否正常，防止程序跑飛。

3.3電流采集模塊

電流采集在監(jiān)視電池組充放電電流大小的同時(shí)，也經(jīng)通訊總線將電流值傳送給主控，以進(jìn)行荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）估算。工程中常用的安時(shí)積分法完全依賴于電池組電流的采集。

采用1個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1110與分流器進(jìn)行電流采集，通過(guò)測(cè)量分流器上的電壓，計(jì)算流過(guò)分流器的電流[1617]。ADS1110模擬輸入腳支持差分輸入，且具備最高8倍的可編程增益放大器，在電池組總負(fù)接入功率為5 W、阻值為1 mΩ的分流器，ADS1110配合此分流器理論，可精確測(cè)量01～375 A的電流，但因受所選分流器的功率限制，最大電流不能超過(guò)70 A。

電流采集電路如圖8所示，JP3的1和2引腳分別接分流器的高壓側(cè)和低壓側(cè)，ADS1110與STM32間通過(guò)IIC通訊，由于兩者不共地，需要添加ADuM1250高速光耦隔離器。

4均衡單元設(shè)計(jì)

電池組在使用過(guò)程中各單體電池之間會(huì)出現(xiàn)不一致性，導(dǎo)致各電池電壓參差不齊，如不進(jìn)行均衡保護(hù)，將會(huì)造成部分電池過(guò)充或過(guò)放等問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用被動(dòng)均衡方式，即對(duì)電池組中電壓較高的單體電池通過(guò)電阻進(jìn)行放電處理。

5電池監(jiān)測(cè)單元軟件設(shè)計(jì)

電池監(jiān)測(cè)單元需要完成電壓采集、電流采集、溫度采集、均衡處理以及主從通訊，整個(gè)流程需要循環(huán)進(jìn)行，且各功能之間需存在一個(gè)確定的時(shí)序。STM32F103C8T6內(nèi)具有4個(gè)定時(shí)器，設(shè)計(jì)只使用兩個(gè)定時(shí)器便可完成全部工作[18]。一個(gè)定時(shí)器用作閃爍系統(tǒng)LED指示燈，顯示STM32的運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)定時(shí)器用于產(chǎn)生1 ms的節(jié)拍，每拍中斷程序內(nèi)對(duì)各功能標(biāo)志變量進(jìn)行加一操作。

在while（1）循環(huán)中檢測(cè)各功能標(biāo)志變量的值，如電壓采集標(biāo)志變量設(shè)置為Timer_Voltage，在節(jié)拍中每拍加一，當(dāng)監(jiān)測(cè)到Timer_Voltage的值大于等于1 000時(shí)，清零Timer_Voltage，并進(jìn)入電壓采集程序，實(shí)際上則為每1 s對(duì)電壓進(jìn)行一次采集。在電池監(jiān)測(cè)單元，總體程序流程圖如圖10所示。

6實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證電池監(jiān)測(cè)單元的電壓、電流采集功能、溫度采集功能以及均衡保護(hù)功能。LTC68042通過(guò)SPI向STM32發(fā)送采集數(shù)據(jù)，STM32的TXD、RXD引腳經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340T連接電腦，與利用Qt編寫的上位機(jī)通訊[19]，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示各節(jié)電池電壓、電池組總電壓、總電流、SOC、電池組溫度以及各節(jié)電池均衡狀態(tài)。電池檢測(cè)單元上位機(jī)程序如圖11所示，因電池監(jiān)測(cè)單元尚未鏈接主控，故主控負(fù)責(zé)的SOC計(jì)算值為零。

6.1電壓采集實(shí)驗(yàn)

對(duì)12節(jié)額定容量為2 200 mAh、標(biāo)稱電壓為3.7 V的18 650鋰電池串聯(lián)而成的電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在上位機(jī)上讀取各單體電壓值和電池組總電壓值，并與安捷倫萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，電池監(jiān)測(cè)單元電壓采集結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，LTC68042測(cè)量電壓精度非常高，單節(jié)電池誤差在0.05%以內(nèi)。

6.2溫度采樣及電流采樣實(shí)驗(yàn)

由于溫度和電流的輸出結(jié)果都由電壓轉(zhuǎn)換而得，如溫度的獲得通過(guò)測(cè)量熱敏電阻電壓值、電流的獲得通過(guò)測(cè)量分流器電壓，故驗(yàn)證溫度和電流的精度主要是驗(yàn)證相應(yīng)電壓采集的精度。用安捷倫萬(wàn)用表分別測(cè)3只熱敏電阻和分流器上的電壓，所得結(jié)果與AD轉(zhuǎn)換采集的電壓誤差與表1相似，不超過(guò)0.05%，溫度誤差不超過(guò)1 ℃，電流誤差不超過(guò)0.05 A。

6.3均衡保護(hù)實(shí)驗(yàn)

電池監(jiān)測(cè)單元采集各節(jié)電池電壓后根據(jù)均衡策略進(jìn)行均衡，主要是通過(guò)配置LTC6804中的CGF寄存器實(shí)現(xiàn)。將電池監(jiān)測(cè)單元接入電池組后，通過(guò)觀察各電池電壓以及均衡指示燈驗(yàn)證了均衡保護(hù)功能正確開(kāi)啟，且通過(guò)測(cè)量功率電阻兩側(cè)的電壓得出放電電流為100 mA左右，符合設(shè)計(jì)要求。

7結(jié)束語(yǔ)

基于LTC6804的電池監(jiān)測(cè)單元能夠準(zhǔn)確采集電池狀態(tài)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)對(duì)電池組進(jìn)行均衡保護(hù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其電壓、電流、溫度采集的高精度以及均衡保護(hù)的正確動(dòng)作，是一種低成本、實(shí)用的設(shè)計(jì)方案。本文雖以監(jiān)測(cè)12節(jié)串聯(lián)電池構(gòu)成的電池組為例，但此方案具有較高的可拓展性，在工程應(yīng)用中，一片STM32可通過(guò)尋址的方式控制多達(dá)16片LTC6804芯片，每片LTC6804最多可監(jiān)測(cè)12節(jié)電池。因此，理論上，一塊電池監(jiān)測(cè)板管理的電池?cái)?shù)量可達(dá)192節(jié)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但本方案使用的STM32F103C8T6，在數(shù)據(jù)處理速度及穩(wěn)定性上只能滿足一般場(chǎng)合，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的要求。因此，下一步將采用飛思卡爾的車用級(jí)芯片，對(duì)中央處理單元進(jìn)行升級(jí)。

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