徐昕晨，彭月祥，邢曉喬

（北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院納米光學(xué)研究所，北京 100124）

多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的高壓電池組作為代替燃料的綠色能源，在工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于發(fā)展的需要，出現(xiàn)了各種更高電壓更大功率的應(yīng)用，例如電梯備用電源，清潔能源的大型貨車等。通過(guò)太陽(yáng)電池方陣將太陽(yáng)能輻射能轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能光伏電站中的電池組就是一個(gè)典型應(yīng)用。而這種電源需要更方便、支持更多電池單元的電源監(jiān)控和自動(dòng)平衡系統(tǒng)才能安全有效地工作[1]。

本文以凌力爾特(Linear Technology)公司的LTC6802-2 多節(jié)電池可尋址電池組監(jiān)視器芯片和STC 公司的STC12C5-A32S2 單片機(jī)為主要元件搭建了一套高度集成化的鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)。LTC6802-2 除了具有現(xiàn)有其他電池組監(jiān)控芯片的主要功能外，還有可尋址的特性，每組監(jiān)控模塊可接入12節(jié)電池，每個(gè)監(jiān)控單元可對(duì)16 個(gè)不同的監(jiān)控模塊分別尋址，因此每個(gè)監(jiān)控單元可連接多達(dá)192 節(jié)鋰離子電池，各單元通過(guò)RS485 上的Modbus 協(xié)議與上位機(jī)通信，理論上可接入47 424 節(jié)鋰離子電池，完全可以滿足目前絕大部分對(duì)鋰離子電池組監(jiān)控的需求。另外，大部分的PLC 器件及工控組態(tài)軟件均兼容Modbus 協(xié)議，使用本套系統(tǒng)可以方便地接入其中，便捷地對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)框架

硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

所有監(jiān)控單元以RS485 總線上的Modbus 協(xié)議與上位機(jī)(PCPLC 器件)通信，一條傳輸Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)的RS485 總線可接入247 個(gè)監(jiān)控單元。

每個(gè)監(jiān)控單元由一片STC12C5A32S2 單片機(jī)、LCD、小鍵盤與至多16 組監(jiān)控模塊組成(如圖2所示)，各監(jiān)控模塊與單片機(jī)通過(guò)母板連接，母板負(fù)責(zé)傳輸SPI 信號(hào)以及供電給各監(jiān)控模塊的隔離器。單片機(jī)通過(guò)SPI 總線對(duì)監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以及控制16×12 個(gè)電池單元的平衡模塊。STC12C5A32S2單片機(jī)的特點(diǎn)是雙串口，串口1 負(fù)責(zé)燒寫程序和與上位機(jī)通信，串口2 則負(fù)責(zé)屏幕和鍵盤的通信。STC12C5A32S2 還內(nèi)置1.2 K SRAM，32 K NOR FLASH，29 K EEPROM，可省去外擴(kuò)ROM 和RAM。LCD 及鍵盤是可選部分，可方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及操作，如不需要現(xiàn)場(chǎng)操作，也可省去。

圖2 監(jiān)控單元硬件框圖

監(jiān)控單元中的監(jiān)控模塊由一片LTC6802-2、至多12 節(jié)鋰離子電池單元與相應(yīng)的平衡器、環(huán)境監(jiān)測(cè)單元、隔離器組成，如圖3所示。LTC6802-2 芯片的特點(diǎn)有：（1）可分別測(cè)量12節(jié)串聯(lián)鋰離子電池電壓（最大串聯(lián)電壓60 V）；（2）級(jí)聯(lián)架構(gòu)可監(jiān)測(cè)高壓電池組；（3）可以4 位地址標(biāo)識(shí)串聯(lián)系統(tǒng)中的每個(gè)芯片；（4）高精度，最大0.25%總測(cè)量誤差；（5）13 ms 完成系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量；（6）片內(nèi)自帶被動(dòng)電池平衡開關(guān)，可被動(dòng)平衡電池電壓；（7）兩路模擬輸入，接入熱敏電阻或傳感器即為兩路溫度計(jì)；（8）1 MHz 帶校驗(yàn)串行通信接口。

圖3 監(jiān)控模塊硬件框圖

LTC6802-2 對(duì)電池單元進(jìn)行電壓采集，并控制平衡器使系統(tǒng)中各個(gè)電池單元相互平衡。LTC6802-2 除片內(nèi)有溫度傳感器以外，還有兩個(gè)12 位ADC 接口，一般情況下可接入溫濕度傳感器，全面監(jiān)測(cè)電池單元的狀態(tài)及所處的環(huán)境狀態(tài)，一旦電池單元出現(xiàn)異常，如過(guò)充電引起的發(fā)熱，或環(huán)境出現(xiàn)異常，可由單片機(jī)檢測(cè)到并送至上位機(jī)，自動(dòng)或由管理人員采取相應(yīng)對(duì)策。

由于每個(gè)監(jiān)控模塊電位各不相同，因此需要隔離器在數(shù)據(jù)傳輸線上進(jìn)行電氣隔離，本文中采用的隔離器為ADUM 1411。LTC6802-2 相對(duì)于此系列芯片的第一版LTC6802 的一大改進(jìn)在于可尋址，選址跳線為L(zhǎng)TC6802-2 的4 條地址線，可手動(dòng)修改每個(gè)監(jiān)控模塊的地址，方便單片機(jī)訪問，大大簡(jiǎn)化程序的編寫過(guò)程。需要注意的是，每個(gè)監(jiān)控單元內(nèi)不可有重復(fù)地址的監(jiān)控模塊。

1.2 硬件設(shè)計(jì)原理

監(jiān)控單元核心是單片機(jī)STC12C5A32S2，它通過(guò)強(qiáng)上拉SPI 訪問監(jiān)控模塊；通過(guò)RS232 顯示；通過(guò)RS485 與微機(jī)通信。如圖4所示。

圖4 單片機(jī)板原理圖

STC12C5A32S2 內(nèi)置復(fù)位電路，因此外部復(fù)位電路可省去。

STC12C5A32S2 內(nèi)部I/O 口自帶100 K 弱上拉電阻，不能滿足SPI 數(shù)據(jù)線的負(fù)載要求，需要另加強(qiáng)上拉電阻，尤其是MOSI 數(shù)據(jù)線，最多需負(fù)載16 個(gè)隔離器的輸入端，如母版設(shè)計(jì)較大，或?qū)?shù)據(jù)傳輸速率有更高要求，可在此處加三極管做簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)，或加驅(qū)動(dòng)芯片。

為方便RS485 數(shù)據(jù)傳輸，選用18.432 MHz 晶體可在滿足高頻工作的條件下獲得整數(shù)波特率，減少通信誤差。

本文中，RS485 通過(guò)MAX485 芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)輸出的UART 經(jīng)過(guò)MAX485 即轉(zhuǎn)換為RS485 差分信號(hào)，差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是大幅減少共模干擾，可省略地線，一條雙絞線即可完成較長(zhǎng)距離上的信號(hào)傳輸。另外，RS485 總線上某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題也不會(huì)對(duì)總線上的其他節(jié)點(diǎn)造成損壞。

某些情況下，系統(tǒng)中只需要一個(gè)監(jiān)控單元，這時(shí)可使用RS232 與上位機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，本設(shè)計(jì)中增加的跳線即可將UART 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232 信號(hào)，從母版直接向外輸出RS232 信號(hào)。

監(jiān)控模塊的核心是LTC6802-2，比上一個(gè)版本LTC6802多出4 位尋址功能，MCU 可單獨(dú)對(duì)每個(gè)LTC6802-2 進(jìn)行訪問，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。主要功能是檢測(cè)電池組電壓，通過(guò)SPI 上傳給監(jiān)控單元的單片機(jī)，并從LCD 上顯示。如圖5所示。

V-到C12級(jí)聯(lián)12 節(jié)鋰離子電池，V+ 連接至C12，C12與GND 之間放置60 V 穩(wěn)壓二極管保護(hù)芯片，電池兩端接入場(chǎng)效應(yīng)管和大功率電阻。當(dāng)電池單元n過(guò)充時(shí)，由單片機(jī)軟件檢測(cè)到并打開Sn平衡開關(guān)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，為電池放電，否則Sn關(guān)閉，電池充電[2-3]。

4 條SPI 數(shù)據(jù)線上拉到VREG，經(jīng)過(guò)隔離器后接駁至監(jiān)控模塊外部的SPI 總線。需要注意的是，MISO 的數(shù)據(jù)方向是LTC6802-2 向MCU 傳輸，當(dāng)某LTC6802-2 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MISO總線被相應(yīng)隔離器拉低，而其他隔離器此時(shí)輸出高電平，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)高低電平短路的情況，阻礙通信過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)有可能損壞隔離器，為防止這種情況，在每個(gè)隔離模塊的MISO 線上加一個(gè)二極管限定數(shù)據(jù)傳輸方向。本設(shè)計(jì)中選用ADUM 1411 隔離器，ADUM 1411 隔離器的4 條數(shù)據(jù)線中有3 條方向相同，另一條方向相反，是針對(duì)SPI 數(shù)據(jù)信號(hào)隔離設(shè)計(jì)的，可簡(jiǎn)化PCB布線。

圖5 監(jiān)控模塊板原理圖

兩個(gè)VTEMP 接口是通用12 位ADC，本設(shè)計(jì)中接入了兩個(gè)100 K 的NTC 以監(jiān)測(cè)電池組溫度及環(huán)境溫度，如有需要，還可以用這兩個(gè)ADC 接口采集其他低速模擬信號(hào)。

VREF 是LTC6802-2 內(nèi)部集成的基準(zhǔn)源，可輸出穩(wěn)定的3.075 V 參考電壓，可用做溫度傳感器的參考電位。如需要更多溫度傳感器或更大的基準(zhǔn)源電流輸出，或其他數(shù)值的參考源，需在此處另加運(yùn)放。

VREG 是LTC6802-2 集成的穩(wěn)壓器，可為監(jiān)控模塊上等電位的器件（如隔離器本地端）提供5.5 V，4 mA 輸出的電源。

MMB 接口是LTC6802-2 的模式選擇線，LTC6802-2 有兩種模式，一種模式是用SPI 進(jìn)行操作的高級(jí)測(cè)量模式，另一種是低級(jí)的監(jiān)視模式，本設(shè)計(jì)中只使用高級(jí)的測(cè)量模式，因此MMB 接口上拉到VREG 以選擇高級(jí)測(cè)量模式。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)框架

由于上位機(jī)可使用現(xiàn)有工控組態(tài)軟件對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，本文暫不涉及上位機(jī)軟件，只考慮單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)。

LTC6802-2 支持可尋址，因此大大簡(jiǎn)化了操作LTC6802-2 的相關(guān)代碼，只需向SPI 總線發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入目標(biāo)地址即可。

本系統(tǒng)屬于保護(hù)系統(tǒng)，因此軟件上對(duì)通信失敗及突發(fā)情況的處理要求也較嚴(yán)格，LTC6802-2 自帶了PEC 數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，當(dāng)某LTC6802-2 發(fā)送的數(shù)據(jù)不能通過(guò)PEC 校驗(yàn)時(shí)即認(rèn)為通信失敗，通信失敗可能是LTC6802-2 受到靜電沖擊，ESD 保護(hù)被啟動(dòng)，各寄存器被復(fù)位，SPI 芯片處于禁用狀態(tài)，另一種可能是LTC6802-2 損壞，發(fā)送出不正確的數(shù)據(jù)。如果連續(xù)通信失敗超過(guò)指定次數(shù)，單片機(jī)就會(huì)嘗試重新設(shè)置有問題的LTC6802-2，如果依然通信失敗，單片機(jī)就會(huì)向上位機(jī)報(bào)告異常狀態(tài)并啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。圖6為單片機(jī)軟件框圖。

圖6 單片機(jī)軟件框圖

2.2 關(guān)鍵代碼

通過(guò)下面三個(gè)函數(shù)即可單獨(dú)對(duì)單元內(nèi)每片LTC6802-2 進(jìn)行讀寫，修改配置寄存器的相應(yīng)位即可實(shí)現(xiàn)平衡FET 的導(dǎo)通與截止，操作GPIO 等功能，讀取出的電壓寄存器值和溫度寄存器值需進(jìn)一步處理即可得到電壓值與溫度。

void LTC6802_W rite_CFGR (unsigned char Address, unsigned char*Data)//寫配置寄存器函數(shù)，輸入?yún)?shù)為地址與待寫入各寄存器值：

{

Enable_SS();//清零SPI 總線SS 線，開始傳輸數(shù)據(jù)

SPI_Transmit(0x80+Address);//發(fā)送地址

SPI_Transmit(WRCFG);//發(fā)送寫配置寄存器命令

SPI_Transmit_Bytes(CFGR,6);//傳輸寄存器數(shù)據(jù)

Disable_SS();//置位SS 線，結(jié)束傳輸

}

void LTC6802_Send_Poll_Command (unsigned char Address, unsigned char Command)//發(fā)送AD 轉(zhuǎn)換命令，輸入地址與指令

{

Enable_SS();//開始傳輸數(shù)據(jù)

SPI_Transmit(0x80+Address);//發(fā)送地址

SPI_Transmit(Command);//發(fā)送指令

Disable_SS();//結(jié)束傳輸

_delay_ms(25);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

}

unsigned char LTC6802_Read_REG(unsigned char Address,unsigned char*Data, unsigned Command)// 讀取電壓寄存器，輸入地址、待寫入數(shù)組與讀相應(yīng)寄存器指令

{

Enable_SS();//開始傳輸數(shù)據(jù)

SPI_Transmit(0x80+Address);//發(fā)送地址

SPI_Transmit(Command);//發(fā)送讀寄存器命令

SPI_Receive_Bytes(Data,size of(Data));//讀取寄存器

if (SPI_Receive()＝PEC_Check(Data, size of(Data)))//PEC校驗(yàn)

{

Disable_SS();//結(jié)束傳輸

return Operation_Success;//校驗(yàn)成功，返回操作成功代碼

}

Disable_SS();//結(jié)束傳輸

return Read_CVRG_Faild;//校驗(yàn)失敗，返回操作失敗代碼

}

由于單片機(jī)SPI 發(fā)送線需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)16 個(gè)隔離器，上升沿變緩，SPI 傳輸相關(guān)函數(shù)中需要適當(dāng)加延時(shí)，如果需要高速傳輸，建議在單片機(jī)的SPI 輸出腳上加驅(qū)動(dòng)芯片。注意增加驅(qū)動(dòng)芯片后，SPI 頻率仍不能超過(guò)1 MHz，如果單片機(jī)速度過(guò)快，還需要適當(dāng)加延時(shí)。

3 測(cè)試結(jié)果

電池電壓上限設(shè)定為4.2V，當(dāng)電池電壓超過(guò)4.2 V 時(shí)放電FET打開，電壓低于4.1 V 時(shí)放電FET 關(guān)閉。測(cè)試電壓測(cè)量精度時(shí)，分別在電池為4.2、4.1、4.0、3.9、3.8V左右時(shí)用LTC6802-2 得到的數(shù)據(jù)與萬(wàn)用表測(cè)試結(jié)果比較，得出平均絕對(duì)誤差為3.59 mV，平均相對(duì)誤差為0.896%，最大絕對(duì)誤差5 mV，最大相對(duì)誤差1.28%。雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但相比LTC6802-2 宣傳的0.25%最大總測(cè)量誤差還是過(guò)大，如需進(jìn)一步降低誤差，可在每個(gè)電池單元上加入RC 濾波電路，軟件上也需做相應(yīng)處理，如對(duì)LTC6802-2 使用先放電后檢測(cè)指令等。

4 結(jié)論

大功率高電壓的鋰電池組應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)應(yīng)的管理芯片種類繁多，功能也各不相同。本文介紹了LTC6802-2 在高壓電池組監(jiān)控上的應(yīng)用，本文中的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控單元對(duì)單元內(nèi)所有電池?cái)?shù)據(jù)的刷新速度達(dá)到25 ms，對(duì)突發(fā)情況可快速反應(yīng)，保證了鋰離子電池的壽命和設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)人員的安全。通過(guò)與上位機(jī)成熟的組態(tài)軟件配合，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及分析等進(jìn)一步的處理。

致謝：感謝北京工業(yè)大學(xué)服務(wù)北京創(chuàng)新人才、團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目資助。

[1]高麗麗，徐克寶，趙平強(qiáng)，等.礦用單軌機(jī)車鋰離子電池組均衡電路的研究[J].煤礦機(jī)械，2010，31(2)：30-33.

[2]陳淵睿，伍堂順，毛建一.動(dòng)力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2009，33(8)：666-670.

[3]任德奎，陳水全，孫顯鵬.水雷鋰離子電池組充電控制策略研究[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2011，19(1)：52-54.