基于多片LTC6803-4级联的电池管理系统的设计与实现

基于多片LTC6803-4级联的电池管理系统的设计与实现于振红;张向文;黄斌
【摘要】针对电池管理系统(BMS)扩展需要,设计了一种基于多片LTC6803-4级联的BMS,实现了对更多单体电池的管理.设计中,利用2片LTC6803-4管理16节锂电池,采用独立电源供电保证突发断电情况下电池信息采集,实现功能包括:电压、电流和温度采集、SOC估算、电池均衡、热管理、充放电管理、故障诊断和上位机通讯.采用ARBIN动力电池测试系统对设计的BMS进行功能测试,测试结果验证了设计功能的合理性和精度要求.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)007
【总页数】4页(P990-992,996)
【关键词】LTC6803-4;电池管理系统;电池均衡;电池故障诊断
【作者】于振红;张向文;黄斌
【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004;广西自动检测技术与仪器重点实验室(桂林电子科技大学),广西桂林541004;柳州延龙汽车有限公司,广西柳州545006
【正文语种】中文
【中图分类】TM912
电动汽车是解决目前能源和环境问题的重要途径，电动汽车在行驶中，不消耗燃料，不排放污染物，近年来得到了快速发展。

电动汽车使用电池供电，由于单节电池电压较低，电动汽车的电池组通过大量单体电池的串并联实现高压。

由于电池制造技术的限制，各单体电池之间会存在个体差异，在充放电过程中，会出现某些单体电池充电很快，在放电过程中某些单体电池放电很快，同时也会出现单体电池温度的差异。

为解决这些问题，BMS成为研究的热点。

目前主流的BMS研究主要集中在电池信息采集、SOC估计、电池均衡、热管理、安全保护和上位机通信等方面。

董光磊等[1]设计了基于LTC6803-4并联级联技术的BMS，仅实现了单体电压的采集；吕杰等[2]设计的BMS实现了电压采集、温
度采集、电流采集等，但是电池均衡、热管理等没有设计；姜点双等[3]提出了一
种BMS管理方法，包括SOC估算方法、均衡方法、热管理方法等，最后仅仅给
出仿真结果；辛喆等[4]设计的BMS实现了单体电池电压、电流等的监测及显示，未涉及到热管理、故障管理等方面；刘晓康等[5]、郑敏信等[6]设计的BMS属于
功能研究型，文中设计的是一些研究方法，仅仅给出仿真结果。

陈仕俊等[7]设计
的管理系统缺少温度监控功能。

通过最近几年的发展，BMS在功能实现上有了很
大的提高，功能完整性有待继续深入研究、成本上有待继续降低。

为了降低成本、方便扩展，本文提出了一种基于多片LTC6803-4级联的BMS，
利用2片LTC6803-4设计了一套管理16节锂电池的BMS，实现单体电压、电流和温度采集、SOC估算、电池均衡、热管理、充放电管理、故障诊断和上位机通
讯等功能[8-9]。

下面，首先给出所设计的BMS的结构框架；然后具体介绍各模块的设计方法，包括硬件设计及实现；最后，采用ARBIN动力电池测试系统对设计的BMS进行功能测试，验证了设计的合理性与可靠性。

1 BMS整体结构
本文设计的BMS整体结构如图1所示，主要包括主控制器模块、采集均衡模块、时钟模块、热管理模块、电流采集模块、温度采集模块、电源模块和人机接口模块。

主控制器模块采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32为主控芯片，以及外围
电路；采集与均衡模块，以两片LTC6803-4级联管理16节锂电池，进行单体电
池的电压采集和均衡，通过SPI通讯与主控制器之间通讯；温度采集通过
DS18B20实现；热管理通过定时器以PWM波控制的方式分别控制4个降温风扇实现；人机界面，通过触摸液晶屏实时显示管理系统状态信息，通过CAN通讯与主控制器之间传输数据；电流采集利用霍尔传感器实现。

下面主要对单体电压采集、电流采集、均衡模块、温度采集及热管理、故障诊断模块进行具体介绍。

图1 BMS的整体结构图
2 系统功能模块设计
根据前面的分析，下面分别对单体电压采集、电流采集、电池均衡、温度采集及热管理、故障诊断功能的设计过程进行阐述。

2.1 单体电压采集
本文设计的BMS，采用LTC6803-4采集单体电压。

每片LTC6803-4最多只能管理12节电池，本次设计涉及16节单体电池，因此需要设计成2片LTC6803-4
级联状态，设计成每片LTC6803-4管理8节电池。

主控与LTC6803-4之间采用SPI通讯方式，每片LTC6803-4与主控之间均采用ADUM1401四通道数字隔离
器进行信号隔离。

LTC6803-4本身带有4位地址选择位，A0、A1、A2、A3用于匹配地址命令。

LTC6803-4地址写命令操作步骤：(1)使能管理芯片；(2)发送地址命令及与其对应的包错误码(PEC)；(3)发送读电压命令(RDCV)以及与其对应的包错误码(PEC)，读取单体电压字节CVR(0)、CVR(1)……CVR(17)，以及与其对应的 PEC；(4)关闭使能。

LTC6803-4采集电压采用12位二进制数表示。

拆分组合CVR(x)(x=0,...,17)，得
到第i节单体电池电压的12位数字量Mi。

当i为偶数时，i与x的关系式为
x=3i/2；当i为奇数时，x=3(i+1)/2。

当x为偶数时，CVR(x+1)低四位是第i节
电池电压12位数字量Mi的高四位，CVR(x)是Mi的低八位；当x为奇数时，CVR(x+1)高四位是第i节电池电压12位数字量Mi的低四位，CVR(x)是Mi的高八位。

这只是得到单体电压的12位数字量，通过公式(1)转换成模拟量。

式中：Vi表示第i节电池电压模拟量，mV。

2.2 主线电流采集
采用霍尔电流传感器采集主线电流并通过AD7739转化成数字量传递给主控制器。

AD7739是一款高精度、高吞吐量模拟前端，可实现真16位峰-峰值分辨率及
250 μs总转换时间。

通过稳压芯片，提供2.5 V的参考电压。

最终配置成16位转换、输入范围为±2.5 V的单通道输入。

2.3 电池均衡管理
均衡管理采用被动均衡的方法。

单体电压过高时，通过电阻放电的方式降低单体电压。

具体实施方法：以最低单体电压Vmin为参照，循环判断Vi－Vmin＞Vtemp是
否成立。

当成立时，第i节电池将被放电，其中Vi是第i节电池电压，Vtemp是
放电门限比较电压。

根据LTC6803-4数据手册，通过配置均衡控制寄存器CFGR1(8位)、CFGR2(低4位)对应的位，来控制对应的电池放电，当置位为“1”，开始均衡，均衡结束时，对应的位置为“0”。

由于每片LTC6803-4只管理8节电池，因此只需要配置CFGR1对应的8位就可以控制8节电池均衡。

2.4 温度采集及热管理
使用专用温度传感器芯片DS18B20采集温度。

DS18B20具有单线接口方式，每
一只DS18B20内部都有唯一的ID，通过配置控制器的一个I/O口即可控制多达8个DS18B20采集温度。

热管理主要功能是解决管理电池组在充电或者放电过程中产热与散热不均匀的问题。

电池组的温度影响电池放电量、影响电池的使用寿命，因此采用行之有效的热管理方法能够使电池放出更多的电量同时能够延长电池使用寿命。

本文设计的热管理方法采用的是风冷法，采用四个散热风扇置于四个散热点，控制方式采用PWM波
控制占空比来控制风扇转速。

控制原理由公式(2)给出：
式中：Val是用于控制占空比的参数；M、m是用来控制Val所设置的参数；temp是测温点的温度值，当temp＞TEMP0时，公式(2)有效；本文M取8 000，m 取 2 000，TEMP0取28℃，当temp≥32℃时，此时Val等于零，占空比100%，风扇转速达到最大。

2.5 时钟及存储重要数据
采用低功耗时钟芯片ds1302z设计时钟模块，ds1302z最小系统及与主控连接图如图2所示。

ds1302z采用32.768 kHz晶振，通过配置寄存器，可以为备用电
源充电。

ds1302z通过PB5、PB6和PB7与主控制器通讯。

其内部有一个31×8 Bytes的用于临时性存放数据的RAM寄存器，该RAM寄存器理论上可以无限次
存取数据，本文用于存放SOC、充放电循环次数等数据。

剩余电量(SOC)的估算，本文采用开路电压法结合安时法外加补偿估算而来，因此需要考虑断电时SOC的存储；充放电循环次数结合内阻用于估算健康状况(SOH),因此也是一个需要一直
记忆的量。

图2 DS1302z原理图
2.6 故障诊断模块
本文总结了21种常见型、利害关系重要的故障，如表1所示。

这21种故障关系到行车安全、充放电安全、电池寿命等。

其中编号为 1、2、3、4、5、7、8、10、14、15～21 属于二级故障；编号为 6、9、11、12、13 属于一级故障，不同等级的故障，处理方式不同。

测试部分有针对部分故障的测试环节。

表1 故障种类编号故障名称状态1 5 过放√1 7 负极绝缘阻值√1 6 过充√4 单
体过充√ 1 1 压差大√ 1 8 正极绝缘阻值√5 短路保护√ 1 2 温差大√ 1 9 充电
继电器状态√6 温升过快√ 1 3 温度低√ 2 0 放电继电器状态√注：表中√表示正常状态7 总压过低√ 1 4 S O C低√ 2 1 预充电继电器状态√
2.7 人机接口设计
本文设计的人机界面由7寸并口触摸屏实现，结构由stm32控制组成，并通过CAN通讯与主控制器之间通讯。

其主要功能包括两部分：一是实时显示单体电压、总电压、主线电流、温度、故障状态等；二是通过界面修改报警参数等。

3 系统实现及功能测试
3.1 硬件设计实现
图3给出了电源模块、主控制器模块、采集均衡模块、人机交互模块等的关系图。

下面详细叙述各模块的具体功能及实现方法。

图3 实物连接图
电源模块：本文设计的电源模块采用外部供电方式。

输入电压 15～24 V，采用“ANSJ”公司稳压模块实现 +/－15 V、+5 V的输出。

模块上同时集成了霍尔电流采集功能及主线继电器控制功能。

主控制器模块：以STM32F103VET6为主控制器。

主控制器模块上除了其他各模
块的控制接口，还集成了SD卡模块、时钟模块、CAN通讯模块、温度采集模块等。

采集均衡模块：以两片LTC6803-4级联及其外围电路组成采集均衡模块。

同时模
块上还集成了SPI通讯隔离模块、风扇驱动电路模块、故障指示灯模块等。

电池模块：采用中航锂电公司的磷酸铁锂电池组，规格型号为：CA40；标称容量(Ah)：*********。

3.2 故障功能测试
通过ARBIN设置充放电状态、通过恒温箱设置环境温度状态来模拟电动汽车实际运行情况以验证电池管理系统对正常运行以及出现故障的反应能力。

图4，图5是通过ARBIN设置的充放电图。

测试程序编写成充电电流＞15 A,放电电流＜－15 A，即为过充过放状态。

图4 部分充电曲线图
图5 部分放电曲线图
图6是过放报警状态，图7是过充报警状态。

其中图中√表示正常状态，X表示故障状态。

最终通过多次模拟实验，验证了电池管理系统对过充过放故障的反应能力可达到预期要求。

图6 过放报警
图7 过充报警
3.3 均衡功能测试
从表2中可以看出，Vmin=3 311 mV，本文设计的放电门限电压Vtemp取30 mV，由均衡判断公式得到当Vi＞Vtemp+Vmin时，第i块电池将被放电，因此从表中可以看到第 2、3、4、12、15节电池正在放电，其他电池处于正常状态。

图8是均衡前后单体电压一致性曲线图。

从图中可以看出，均衡后单体电压一致性变好，实现了单体的均衡功能。

表2 电池均衡状态 mV编号电压状态编号电压状态编号电压状态编号电压状态1 3 3 3 9 正常 5 3 3 3 8 正常 9 3 3 3 9 正常 1 3 3 3 1 1 正常2 3 3 4 9 均
衡 6 3 3 3 4 正常 1 0 3 3 4 1 正常 1 4 3 3 3 1 正常3 3 3 4 2 均衡 7 3 3 4 0 正
常 1 1 3 3 3 9 正常 1 5 3 3 4 8 均衡4 3 3 4 2 均衡 8 3 3 4 1 正常 1 2 3 3 4 2
均衡 1 6 3 3 3 9 正常
图8 均衡前后单体电压分布图
4 总结
本文设计了一种基于多片LTC6803-4级联的BMS，并实现了电压、电流和温度
采集、SOC估算、电池均衡、热管理、充放电管理、故障诊断和上位机通讯功能。

最后采用动力电池测试仪器平台(ARBIN)设置充放电状态、通过恒温箱设置环境温度状态来模拟电动汽车实际运行情况，对设计的电池管理系统功能进行了功能测试，验证了电池管理系统的故障诊断功能和热管理功能。

通过充放电循环实验，测试得到总电压误差＜1%，电流误差＜±0.1 A，温度误差＜±1℃，在一个充放电循环内SOC估算误差＜2%，均衡电压最低可以达到30 mV，因此，设计的基于多片LTC6803-4级联的电池管理系统功能完善，测量精度较高，具有一定的实用价值，目前正进行实车测试，以进一步验证设计系统的可靠性。

参考文献：
【相关文献】
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