基于LTC6804的电池监测单元设计

基于LTC6804的电池监测单元设计
作者：王越杨玉新李立伟
来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2019年第01期
摘要：为解决电动汽车中动力电池组的监测及保护问题，本文提出了一种可靠性高且实用的电动汽车电池监测单元的设计方案。

以意法半导体推出的STM32F103C8T6单片机和凌力尔特公司推出的LTC68042芯片为核心，基于一主多从的拓扑结构，对中央处理单元、电池状态采样单元、均衡单元进行硬件电路设计，并通过编写程序驱动各单元工作，对动力电池组的电池电压、电流以及电池组温度进行监测，通过均衡保护电路，降低各单体电池不一致性对动力电池组造成的影响。

实验结果表明，该设计方案具有测量精准、可靠性高、可拓展性高的优点，且生产成本较低。

该研究具有较高的实用价值。

关键词：动力电池;电池监测;均衡保护;LTC6804
中图分类号： TM912.9; U469.72文献标识码： A
文章编号： 10069798（2019）01007005; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.012
随着石油等传统能源的不断开采，能源枯竭和环境污染问题已成为制约人类社会发展的重要因素。

而新能源技术的发展，尤其是锂电池的发展，使电动汽车取代燃油汽车成为必然趋势。

动力电池是决定电动汽车各项性能的重要部件，对其进行监测保护是电动汽车普及的重要推动力，故电池管理系统（battery management system，BMS）成为动力电池的研究重点。

动力电池组一般由诸多单体锂电池串联组成，各单体电池因出厂质量不一致、充放电循环等因素，导致电池出现过充、过放等问题，严重影响整个电池组的使用[15]。

因此，采用BMS对电池组进行状态采集和均衡保护，为动力电池组的健康使用提供了保障。

目前，主动均衡是国内外研究的热点，但主动均衡存在成本高、结构复杂、安全性低和不稳定等缺点，且随着锂电池技术的发展，各单体电池在使用过程中体现出的不一致性越来越小，在大多数情况下，通过被动均衡便能解决各单体电池的不一致问题[611]。

基于此，本文提出一种可靠性高且实用的电动汽车电池监测单元的设计方案。

该方案采用STM32单片机为控制核心，配合电池监测芯片LTC68042，在保证对电池状态测量准确的基础上，采用被动均衡的方式对电池进行保护。

该方案结构简单、成本较低、运行稳定。

该研究具有一定的市场前景和应用价值。

1BMS拓扑结构
随着BMS的发展，出现了多种拓扑结构，传统的拓扑结构一般将电池监测单元分布到每一节单体电池，可管理的电池数量较少，使成本及安装的更加繁琐[1213]。

因此，本设计将采用一主多从的拓扑结构，提高可管理的电池数量、增强整个系统的模块化和可拓展性。

一主多
从拓扑结构示意图如图1所示。

电池的状态采集将由从控完成，从控通过总线将采集到的数据发送到主控，主控对数据进行处理及策略分析后，通过总线向从控下达命令，从而使各电池组被集中管理。

本文所设计的电池监测单元即一主多从结构中的从控，具有中央处理单元、电源模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡管理模块和CAN通讯模块。

2中央处理单元设计
中央处理单元包括STM32及电源模块、电气隔离、CAN通讯模块等构成的外围电路，是连接主控与电池组的桥梁。

2.1电池监测系统整体结构
电池监测单元整体结构图如图2所示。

LTC6804负责电池组电压采集、温度采集及均衡控制，与STM32通过SPI进行通讯，因两者不共地，故通信中要加入电气隔离;STM32与主控之间通过CAN总线通讯，每个从控相当于CAN总线中的一个结点。

选用的STM32F103C8T6单片机为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个I/O口，完全满足对芯片运算性能和外设接口的设计要求。

同时，为显示单片机程序的运行状态，在PA8引脚处接一只LED灯，通过定时器控制其按一定频率闪烁，判断单片机的运行是否正常，防止程序跑飞。

3.3电流采集模块
电流采集在监视电池组充放电电流大小的同时，也经通讯总线将电流值传送给主控，以进行荷电状态（state of charge，SOC）估算。

工程中常用的安时积分法完全依赖于电池组电流的采集。

采用1个16位模数转换器ADS1110与分流器进行电流采集，通过测量分流器上的电压，计算流过分流器的电流[1617]。

ADS1110模拟输入脚支持差分输入，且具备最高8倍的可编程增益放大器，在电池组总负接入功率为5 W、阻值为1 mΩ的分流器，ADS1110配合此分流器理论，可精确测量01～375 A的电流，但因受所选分流器的功率限制，最大电流不能超过70 A。

电流采集电路如图8所示，JP3的1和2引脚分别接分流器的高压侧和低压侧，ADS1110与STM32间通过IIC通讯，由于两者不共地，需要添加ADuM1250高速光耦隔离器。

4均衡单元设计
电池组在使用过程中各单體电池之间会出现不一致性，导致各电池电压参差不齐，如不进行均衡保护，将会造成部分电池过充或过放等问题。

设计采用被动均衡方式，即对电池组中电压较高的单体电池通过电阻进行放电处理。

5电池监测单元软件设计
电池监测单元需要完成电压采集、电流采集、温度采集、均衡处理以及主从通讯，整个流程需要循环进行，且各功能之间需存在一个确定的时序。

STM32F103C8T6内具有4个定时器，设计只使用两个定时器便可完成全部工作[18]。

一个定时器用作闪烁系统LED指示灯，显示STM32的运行状态，另一个定时器用于产生1 ms的节拍，每拍中断程序内对各功能标志变量进行加一操作。

在while（1）循环中检测各功能标志变量的值，如电压采集标志变量设置为
Timer_Voltage，在节拍中每拍加一，当监测到Timer_Voltage的值大于等于1 000时，清零Timer_Voltage，并进入电压采集程序，实际上则为每1 s对电压进行一次采集。

在电池监测单元，总体程序流程图如图10所示。

6实验验证
实验主要验证电池监测单元的电压、电流采集功能、温度采集功能以及均衡保护功能。

LTC68042通过SPI向STM32发送采集数据，STM32的TXD、RXD引脚经USB转串口芯片CH340T连接电脑，与利用Qt编写的上位机通讯[19]，上位机实时显示各节电池电压、电池组总电压、总电流、SOC、电池组温度以及各节电池均衡状态。

电池检测单元上位机程序如图11所示，因电池监测单元尚未链接主控，故主控负责的SOC计算值为零。

6.1电压采集实验
对12节额定容量为2 200 mAh、标称电压为3.7 V的18 650锂电池串联而成的电池组进行监测，在上位机上读取各单体电压值和电池组总电压值，并与安捷伦万用表测得的数据进行比较，电池监测单元电压采集结果如表1所示。

由表1可以看出，LTC68042测量电压精度非常高，单节电池误差在0.05%以内。

6.2温度采样及电流采样实验
由于温度和电流的输出结果都由电压转换而得，如温度的获得通过测量热敏电阻电压值、电流的获得通过测量分流器电压，故验证温度和电流的精度主要是验证相应电压采集的精度。

用安捷伦万用表分别测3只热敏电阻和分流器上的电压，所得结果与AD转换采集的电压误差与表1相似，不超过0.05%，温度误差不超过1 ℃，电流误差不超过0.05 A。

6.3均衡保护实验
电池监测单元采集各节电池电压后根据均衡策略进行均衡，主要是通过配置LTC6804中的CGF寄存器实现。

将电池监测单元接入电池组后，通过观察各电池电压以及均衡指示灯验证了均衡保护功能正确开启，且通过测量功率电阻两侧的电压得出放电电流为100 mA左右，符合设计要求。

7结束语
基于LTC6804的电池监测单元能够准确采集电池状态，并根据采集数据对电池组进行均衡保护。

通过实验验证了其电压、电流、温度采集的高精度以及均衡保护的正确动作，是一种低成本、实用的设计方案。

本文虽以监测12节串联电池构成的电池组为例，但此方案具有较高的可拓展性，在工程应用中，一片STM32可通过寻址的方式控制多达16片LTC6804芯片，每片LTC6804最多可监测12节电池。

因此，理论上，一块电池监测板管理的电池数量可达192节，具有较高的实用价值。

但本方案使用的STM32F103C8T6，在数据处理速度及稳定性上只能满足一般场合，无法满足电动汽车恶劣环境下稳定运行的要求。

因此，下一步将采用飞思卡尔的车用级芯片，对中央处理单元进行升级。

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