分析鋰電池動力電源單體電池電壓檢測系統設計

張 健，張鐵軍

（1.南京軍事代表局駐無錫地區軍事代表室，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，更多是通過多節單體電池串聯的方式應用，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工作操作難度較低，其中溫度檢測建議使用熱敏電阻和數字式溫度傳感器，電流檢測建議通過霍爾電流傳感器進行。串聯鋰離子蓄電池組是為了確保應用期間的安全性，并延長使用期限，建議在工作中運用電壓檢測系統，對單體電池電壓和電流等進行檢測，可以避免單體電池過充和過流等現象的發生。

1 電壓檢測系統整體結構設計

本文主要以LTC6803系統為例進行分析。該系統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工作。系統主要采用可堆迭結構，為用戶提供更大規模的電壓檢測系統[1]。芯片待機期間不會產生很大的功耗，若在備用模式狀態，功耗僅為12μA。芯片的轉化速度比較快，13 ms便可以結束電池測量，自測試功能電路和導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的應用結構中，主要是以總線管理和SPI總線兩個設備完成通信操作，SPI總線將運行指令發布到指令解析器中，分析之后以數據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揮主要是依靠數據寄存器，同時使用12位模數轉換器、多路選通器，全面采集所有單體電池的電壓，并將最終所得結果儲存在電壓寄存器，利用SPI總線向主控制器傳輸結果。

電壓檢測系統內部的STM32F103RCT6為SPI總線主機，電池管理單元主要依靠LTC6803芯片得以運行，并且在電流型SPI總線的幫助下將諸多單元級聯處理。電池管理單元針對單體鋰離子電池進行實時監督，以Linear Technology企業所制定的方案進行控制電路設計[2]。

通過實踐發現，操作期間依然存在一些問題，具體如下：（1）LTC6803模數轉換器運行期間若出現問題或者故障，會延緩電壓寄存器數據更新速度，如果情節嚴重將直接導致更新停止，始終顯示最終運行結果。因此，控制系統將會自動確認電池電壓數據的停止變化；（2）模數轉換器運行期間存在一些影響因素，影響一路與多路數據結果的準確性，導致誤差增大；（3）對于一些特殊的應用場合，電壓檢測系統集成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，必須要使用相對應的數據處理方式，利用軟件修正數據。

2 電壓檢測系統控制程序設計

電壓檢測系統控制程序是在SPI總線主機控制器內運行的MCU程序，管理系統應用程序發出具體指令，控制程序則負責進行采集和處理單體電壓數據等一系列工作。

電池管理單元運行過程中會發出控制指令和具體數據，若要處理這些指令和數據，需要控制程序發揮作用，包括SPI總線管理器、電池管理單元數據映像和數據處理等[3]。SPI總線管理是SPI總線驅動程序，負責數據更新；電池管理單元數據映像是MCU中LTC6803主要寄存器體現的所有數據映像；運行調度器在控制程序中是對單體電池管理程序進行調配，向管理系統應用程序發送指令。

2.1 獲取單體電池電壓

電池管理單元內單體測控通道不管數量如何，讀取單體控制器都會將其控制在12個。數據分析過程中，對于不需要的數據需要及時剔除。這一方式可以將硬件電路設計和程序編寫等簡化處理。

單體電壓讀取程序運行過程中，獲取單體電壓一般是在LTC6803結束單體電池電壓模數轉換后進行。為了保證LTC6803模數轉換器效果，模數轉換前必須將電壓寄存器原本儲存的數據清除，將MCU程序內部的AD數據進行有效驗證，從而提高所有數據的有效性。當LTC6803發出數據寄存器清除指令時，SPI總線會在1ms后轉換數據格式，使其成為OxFF的格式。然后，控制程序會發出采集指令，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，便可以認定硬件系統運行正常[4]。

電壓轉換讀取數據時，系統應用程序需要與運行調度器配合，運行調度器負責管理程序的主要延時量和調用周期，也是管理系統應用程序調用最為關鍵的依據。若與調用要求不符，便要即刻推出電壓轉換數據讀取操作，MCU被交還到管理系統應用程序中。

一般LTC6803電壓測量數據精確度非常高，通過計算可得分辨率為VLSB=1.5 mV，與使用要求相符。因為電壓檢測系統適應性和抗干擾性能等的提升，實際操作中選擇了均值濾波法。各個采樣點電壓數據連續獲取8次，然后求取平均值，以最終計算結果作為單體電池電壓。通過實際操作可以有效提升模數轉換器的分辨率，使其從原來的12位提升到15位，分辨率VLSB=0.19 mV。換而言之，采集系統數值跳動值＜0.2mV。通過相應的實踐操作可知，上述方法應用過程中有利于提高抗干擾能力和電壓檢測系統分辨率。

2.2 單體電壓值定標

LTC6803應用提出了非常嚴格的要求，芯片測量精確度和應用要求相符，所以無需數字定標。但是，生產期間存在的一些不可抗性，會對模數轉換通話測量精度造成影響，或是模塊轉換通道無法達成一致，針對這些問題，建議結合測試實際狀況選擇是否需要單體控制器數字定標操作[5]。

若操作過程中其中一條通道檢測數據存在誤差，檢測系統的檢測值便會出現錯誤，直接導致所有檢測數據準確性。檢測系統必須具備良好的線性度，才能保證電壓檢測的有效性。標定操作中高精度儀表標定完成便可以將電壓值作為實際輸入量，電壓檢測系統對數值進行讀取后，便可以確定計算需要的原始參數。

2.3 測試系統數據

測試系統包括上位機軟件、控制器和電池管理單元三部分。測試對象為15節磷酸鐵鋰蓄電池，標稱電壓是3.2V。單體電池串聯，按照8節、7節電池的原則分配電池管理單元。應用單體電壓值定標法進行系統測試。模擬單體電池電壓時，正弦波動的電壓信號參數設置如下：電壓最大值和最小值分別為3.7 V和2.7 V，周期是2000 ms，采集系統電壓數據采樣間隔為20 ms。通過此方法得出最終結果如下：此次測試過程中采樣點共計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格，通過數據發現，定標后系統的準確度和分辨率非常高[6]。

15節串聯鋰離子蓄電池基于相應的電壓檢測系統內所得到的單體電池電壓數據存在很大差異，具體見表1。表1記錄了10個串聯鋰離子蓄電池的檢測電壓、實測電壓和誤差。分析后可以確定，定標后的系統在電池電壓檢測過程中精準度非常高，但是檢測誤差較大。主要原因是實驗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，這是需要注意的關鍵性問題。

表1 各個單體電池電壓試驗所得數據

3 結 論

綜上所述，立足于LTC6803設計單體電池電壓檢測系統，相關人員需要了解設計的實際情況，通過實驗和分析掌握電壓檢測分辨率與測量誤差，完成電壓檢測系統設計工作。此外，文章總結了幾點有效的軟件定標法，為測試系統結果的準確性提供了保證，使電壓檢測系統能夠正常運行，同時也為今后鋰電池動力電源單體電池產品的研發提供了參考。