基于LTC6804－2的锂电池SOC应用研究

引言

电池的荷电状态（stateofcharge，SOC）测量计算是电池管理系统（BMS）中最基础重要的部分。电池荷电状态的准确监测不仅能够为使用者提供电池能量供给状态，它还是电池管理系统中充放电管理、均衡控制管理的基础，因此准确测量电池SOC的值意义重大。

本文以LTC6804－2芯片为锂电池电压采集控制芯片，使用霍尔传感器采集充放电电流，使用I2C总线温度传感器芯片采集电池表壳温度，使用LPC2478为主控芯片，设计了一种基于LTC6804－2的锂电池SOC应用系统。

1、SOC测量系统原理

1.1、安时积分法

安时积分法通过对单位时间内流过电池组的电流进行积分从而得SOC，计算公式如下：

SOC0表示锂电池SOC的初始值，CN表示锂电池的额定容量，t表示锂电池的充放电时间，I表示锂电池的充放电电流。安时积分法简单，是现在常用的方法。由于该方法需要对电流积分，因此对电流采集的精度要求较高，而且误差会由于积分不断积累，常时间使用误差会越来越大。

1.2、开路电压法

开路电压法的基本原理是锂电池的SOC在一定范围内时，开路电压与电池的SOC表现很强的相关性，可以通过实验的方法得出其相关曲线。该方法通过对锂电池充分静置，使电池端电压恢复至开路电压，根据开路电压的大小来进行SOC计算。该方法简单易行，而且精度较高，但是电池需要静置很长时间，不适合在线测量，实时性较差。

本系统采用安时积分法加开路电压法进行SOC估算，即在电池组充放电的时候用安时法进行SOC估算，在电池组搁置状态时，用开路电压法和电池表壳温度系数对安时积分法修正，充分运用两种方法的特点，提高SOC估算的精度。

2、系统硬件设计

系统采用LPC2478作为主控芯片，整个系统由12节锂电池组、电压测量电路、温度传感器、温度采集电路、霍尔电流传感器、电流测量电路、通信电路组成。系统硬件结构框图如图1所示。

图1  系统硬件结构框图

2.1、电压测量硬件电路

LTC6804－2是第三代多节电池的电池组监视器，可测量最多12个串接电池的电压并具有低于1．2mV的总测量误差。所有12节电池的电压可在290μs之内完成测量，并可选择较低的数据采集速率以实现高噪声抑制。LTC6804－2具有频率可编程三阶噪声滤波器的16位增量累加型ADC。LTC6804－2电池电压测量电路如图2所示。ISOMD接低电平表示将LTC6804作为SPI从设备配置，SPI接口与LPC2478之间采用硅芯片隔离，减少电池侧对数字主控电路的干扰，锂电池每组电芯电压为3．3V。

图2  LTC6804－2电池电压测量硬件电路

2.2、温度采集硬件电路

温度采集芯片使用美国德州仪器公司的TMP100温度传感器芯片，温度ADC采集硬件电路设计如图3所示。

其中TMP100_D1_ADD0和TMP100_D1_ADD1的不同组合，代表该芯片从设备的通信地址，器件的从地址定义见表1。

每个TMP100芯片可以支持8种不同的I2C从地址，系统设计有12路锂电池，需要TMP100芯片两片，需要占用主控芯片LPC2478两路I2C接口。

2.3、电流测量硬件电路

电流测量数据通过霍尔电流传感器和ADC电压采集芯片得到，本系统设计采用南京中霍传感科技有限公司的HCS－LSP－20A霍尔电流传感器，该传感器是基于闭环磁平衡原理的一款霍尔电流传感器，能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电流等。传感器的输出能真实反映通电导体的的真实波形。

图3  温度ADC采集硬件电路

表1  TMP100器件I2C接口从地址定义

电流传感器的输出电压范围为0．5～4．5V，输出电压通过ADC采集芯片采集，ADC芯片采用Maxim－IC公司的MAX1062，该芯片支持5V输入，14bit采集精度，200kS/s采样率，SPI通信接口，LPC2478芯片一路SPI接口接该ADC采集芯片。

2.4、LPC2478系统主控硬件电路

LPC2478的一路SPI接口实现与LTC6804－2、MAX1062两芯片通信，通过GPIO口选择需要通信的芯片;以太网外部物理层芯片采用KSZ8041NLI芯片，LPC2478的以太网MAC接口与KSZ8041NLI芯片相连，KSZ8041NLI通过ＲJ－45接口与外界通信;LPC2478芯片其中两路串口，一路接隔离ＲS-422/485芯片ADM2582E，一路接隔离ＲS-232芯片MAX3250EAI，LPC2478的两路I2C口与TMP100温度采集芯片相连，LPC2478调试编程接口为JTAG接口。

3、系统软件设计

3.1、LTC6804－2配置与通信

LPC2478上电或复位后，首先通过SPI口初始化LTC6804－2，主要是设置SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式、选择需要测量的通道。具体所使用的函数如下：

3.2、温度采集芯片配置与温度数据读取

TMP100内部有4个数据寄存器和1个指针寄存器，通过指针寄存器索引被访问的数据寄存器，对数据寄存器的读写通过指针寄存器的最后两位决定，指针寄存器定义见表2，数据寄存器定义见表3，配置寄存器定义见表4。

3.3、LPC2478主控程序设计

AＲM主控芯片主要任务有：

①配置LTC6804－2芯片，读取电池电压数据和执行其他命令控制;

②配置温度采集芯片，读取温度采集结果;

③计算霍尔电流传感器充放电电流;

④控制一路隔离ＲS-422/485串口，与上位机进行通信;

⑤控制一路隔离ＲS-232串口，与上位机进行通信;

⑥控制一路10M/100M自适应以太网，实时将各项参数传送给上位机;

⑦看门狗复位电路，程序跑飞的情况下，系统自动复位。

本系统为实现网络双向10M/100M自适应双向通信，采用了基于μC/OS－II的小型TCP/IP协议栈。它使用μC/OS－II实时操作系统的信号机制来实现一个多任务并行并可重入的协议栈。本系统程序实现多任务实时运行，使用UDP通信协议连接。AＲM主控程序设计流程图见图4。

图4  AＲM主控程序设计流程图

4、试验数据采集和结论

为了测试本系统的测量精度及抗干扰能力，设计了一套测试方案。测试方案包括：本系统，一套独立供电的高精度数控编程可调稳压线性电源，调试计算机一台，高精度数字万用表一台。可调稳压线性电源主要给LPC2478主控电路供电，高精度数字万用表可测量每节电池的电压，调试计算机主要承担上位机角色，记录采集数据。表5是一段时间12节锂电池各项统计数据。

表5  锂电池统计数据