基于LTC6811通訊基站電池組在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

摘要：本文應(yīng)用LinearTechnology公司推出的第四代電池組監(jiān)控芯片LTC6811，設(shè)計(jì)一套可用于通訊基站電池組的監(jiān)控平臺(tái)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀單元可實(shí)現(xiàn)2V24節(jié)48V串聯(lián)單體電池的模塊監(jiān)控，利用模塊化設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)多套電池系統(tǒng)電池組監(jiān)控。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電池監(jiān)測(cè)較多使用分離器件法，通過電阻、電容、運(yùn)放和ADC等實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的采集。硬件復(fù)雜，精度低，抗干擾能力差。分析比較現(xiàn)有各種蓄電池電壓測(cè)量方法『1I2］，給出了在電池組在線監(jiān)測(cè)儀研發(fā)方面的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示：一是采用凌力爾特公司LTC6811組成單一種類芯片線性采樣電路，并以STM32F103微處理器為核心，作為下位機(jī)負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)測(cè)量電池組電池電壓、溫度、電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組運(yùn)行參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理。二是選用RS485作為下位機(jī)與上位機(jī)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的串行接口，在上位機(jī)上建立完整的數(shù)據(jù)記載和分析并建立起一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。為蓄電池建立完整的病歷，通過對(duì)同一蓄電池的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的分析和同型蓄電池的運(yùn)行數(shù)據(jù)的一致性分析，數(shù)據(jù)采集和趨勢(shì)邏輯分析功能做到準(zhǔn)確判別電池健康狀態(tài)，并將蓄電池組全部信息通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心機(jī)房?？芍С侄嗟攸c(diǎn)電信基站和多套電池系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在網(wǎng)內(nèi)任何PC或者站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分布式機(jī)房蓄電池組的在線檢測(cè)和集中管理。

2、參數(shù)硬件采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LTC6811［314］是凌力爾特公司推出的第四代多節(jié)電池的電池組電壓檢測(cè)芯片，其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量12個(gè)串接電池測(cè)量，輸入電壓范圍為0—5V。堆疊式架構(gòu)可以把多個(gè)LTC6811器件串接起來。內(nèi)置的頻率可編程三階噪聲濾波器的16位增量累加型ADC具有優(yōu)異的抗開關(guān)噪音、較強(qiáng)電磁兼容抗干擾性能。電壓采集優(yōu)于0．04％的高精度，1．2mV最大總測(cè)量誤差。工作溫度范圍一40。C至125。C滿足汽車級(jí)芯片際準(zhǔn)（符合ISO26262（ASIL）標(biāo)準(zhǔn)）要求。內(nèi)置了一個(gè)熱停機(jī)電路、一個(gè)冗余電壓基準(zhǔn)、擴(kuò)展的邏輯測(cè)試電路、導(dǎo)線開路檢測(cè)功能、一個(gè)看門狗定時(shí)器和在串行接口的數(shù)據(jù)包誤差檢驗(yàn)，全套自測(cè)試確保無潛在故障情況。完全適用于通訊基站的復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境。

本系統(tǒng)運(yùn)用LTC68~t1—1配合STM32F103單片機(jī)對(duì)串聯(lián)電池組的單體電壓進(jìn)行采集，如圖2所示。兩個(gè)LTC6811-1串聯(lián)使用可采集24塊單體2V電池串聯(lián)的48V電壓數(shù)據(jù)。STM32F103與LTC6811-1通過SPI通信接口進(jìn)行通信。兩者之間，選用現(xiàn)在性能優(yōu)異的數(shù)字隔離芯片Si8441進(jìn)行完美隔離。相鄰的LTC6811-1僅需單個(gè)變壓器通過isoSPI端口之間連接。

2.1單體電壓采集

確定電池健康狀態(tài)的基礎(chǔ)是非常準(zhǔn)確的電池電壓測(cè)量。將串聯(lián)的單體電池分別接入LTC6811—1兩個(gè)芯片的CO到C12電壓采集輸入端。ADCV命令用于啟動(dòng)電池輸入f引腳CO至c12）的測(cè)量。頻率可編程△乏ADC選用標(biāo)準(zhǔn)7kHz速率的標(biāo)準(zhǔn)操作模式，在該模式中，ADC具有高分辨率和低總測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)超卓的噪聲抑制速度與準(zhǔn)確度的最優(yōu)組合。為提高ADC讀取質(zhì)量，還使用了外部濾波器。在輸入通路中插入1001~的串聯(lián)電阻器，而不會(huì)引入重大的測(cè)量誤差，這可以通過提高濾波器電容或借助軟件和一種校準(zhǔn)程序進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償予以改善。采用接地電容器濾波抑制電池電壓紋波，可在電池輸入與V一之間增設(shè)0．1F并聯(lián)電容器，可將HF噪聲去耦至v一，一個(gè)串聯(lián)電阻和電容器以構(gòu)成RC低通去耦濾波電路抑制30dB電壓信號(hào)中的高頻噪聲干擾。為了保護(hù)電壓采集輸入端，防止超限電壓沖擊，在輸入端口并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，選擇大于2倍的單體電池工作電壓2V的穩(wěn)壓管。兩項(xiàng)保護(hù)措施提高了芯片耐浪涌的沖擊能力，有助于抑制具潛在破壞性的高能量瞬變。

2.2總電壓檢測(cè)

LTC6811的ADSTAT命令是一種用于測(cè)量以下內(nèi)部器件參數(shù)的命令：所有電池的總~n（soc）、內(nèi)部芯片溫度（ITMP）、仿真電源fvA）和數(shù)字電源（VD）。所有電池測(cè)量結(jié)果的總和是C12和C0之間的電壓f具有一個(gè)20：1的衰減）。電池測(cè)量結(jié)果總和的l6位ADC測(cè)量值（soc）存儲(chǔ)在狀態(tài)寄存器組A當(dāng)中。利用SOC值，可由下式得出所有電池電壓測(cè)量結(jié)果之和：

Vl=SOCl·20·100V

V2=SOC·220·100V

2.3電池電流的捕獲和溫度采集電路

由于可以直接連接電池，所以對(duì)收集電池電壓測(cè)量值以及關(guān)聯(lián)電池電壓測(cè)量值與溫度和電流而言，LTC6811具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。內(nèi)部集成輔助ADC，通過其通用I／O（GPIO），可將外部傳感器測(cè)量值多路轉(zhuǎn)換至電池電壓采樣系統(tǒng)。內(nèi)部的特定命令自動(dòng)地處理這種同步功能。ADC負(fù)責(zé)測(cè)量GPIO（n）~的電壓（相對(duì)于v一1并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)于寄存器中。將溫度傳感器熱敏電阻輸出的電壓量輸入到ADC端口，可以完成溫度測(cè)量；將霍爾電流傳感器的輸入接入ADC端口，可以完成電池組電流的測(cè)量。輔助ADC采用的ADC具有△∑調(diào)制器和一個(gè)位于其后的SINC3有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器。這極大地降低了輸入濾波要求。由于測(cè)量均參考于V一，因此GPIO引腳將始終采用一種接地電容器配置。

2.3.1電流測(cè)量硬件電路電流測(cè)量系統(tǒng)

采用瑞士萊姆LEMDHAB系列傳感器，適用于測(cè)量直流、交流和脈沖電流，主要應(yīng)用于大功率、低電壓的蓄電池監(jiān)測(cè)，廣泛地應(yīng)用于測(cè)量大的電池電流。原邊電路（大功率）和副邊電路（電子電路）之間采用電氣隔離設(shè)計(jì)，提供了一種非接觸式的低功耗解決方案。傳感器的輸出能真實(shí)反映通電導(dǎo)體的真實(shí)波形。

LEMDHAB輸出是電壓數(shù)據(jù)，副邊電壓為2V，輸出電壓通過LTC6811輔助ADC輸入（GPIO引腳），如圖3所示。其可產(chǎn)生兩個(gè)與所提供之VCC成比例的輸出，并產(chǎn)生連接至GPIO引腳。

2.3.2溫度采集電路

電池單體節(jié)點(diǎn)溫度是組態(tài)信息中的重要參數(shù)，溫度采集電路如圖4所示。設(shè)計(jì)中選取負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為外部溫度傳感探頭，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。LTC681l一1的VREF2引腳專為溫度檢測(cè)所需的電流而設(shè)計(jì)，ADC測(cè)量以VREF2引腳電壓標(biāo)稱值3V為基準(zhǔn)，用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)10kn熱敏電阻NTC，提供偏置所需的電流，偏置電阻器的選擇依據(jù)是與NTC值相對(duì)應(yīng)，選用精度為l％的10kn的電阻作為偏置電阻。這樣該電路將在25。C時(shí)提供1．5V電壓。ADAX命令用于啟動(dòng)GPIO輸入的測(cè)量，選擇要測(cè)量的GPIO輸入及ADC模式的選項(xiàng)。所有的輔助測(cè)量均相對(duì)于V一引腳電壓。采用一個(gè)外部0．1IxF的電容器進(jìn)行旁路，濾除高頻干擾，提高采樣精度。

3、軟件控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖5所示，主要完成STM32F103通過SH口通信對(duì)LTC6811發(fā)送命令代碼。①啟動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換讀電壓、讀電流和讀溫度信息等各項(xiàng)自動(dòng)測(cè)量操作：如欲在測(cè)量模式中啟動(dòng)電池電壓測(cè)量，則發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換命令，MCU將接收到的數(shù)據(jù)信息顯示在液晶顯示屏上。②完成本機(jī)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)功能：存儲(chǔ)電池組總電壓、電流、標(biāo)志電池溫度、各單體電池電壓等項(xiàng)最近300個(gè)采樣周期數(shù)據(jù)和30次過程電流安時(shí)數(shù)，存儲(chǔ)最近300次報(bào)警及處理恢復(fù)過程的數(shù)據(jù)（發(fā)生時(shí)間、報(bào)警種類、超限或狀態(tài)數(shù)據(jù)、上報(bào)應(yīng)答、恢復(fù)時(shí)間）。存儲(chǔ)本機(jī)各設(shè)定值（各被測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警上下限及缺省值、網(wǎng)絡(luò)通訊地址號(hào)、通訊口參數(shù)、被測(cè)電池組節(jié)數(shù)等）。③完成自動(dòng)狀態(tài)判別和報(bào)警：在MCU內(nèi)部執(zhí)行一些智能算法，設(shè)定警戒門限參數(shù)，當(dāng)電池充放電電壓達(dá)到過壓欠壓、電池表面溫度異常過高、停止充放電等異常狀態(tài)，及時(shí)報(bào)警。④完成與圖5軟件系統(tǒng)流程圖上位機(jī)聯(lián)機(jī)功能：控制一路隔離RS485串口，與上位機(jī)進(jìn)行通信，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送全部數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制和參數(shù)設(shè)定命令。⑤完成自檢和校驗(yàn)功能；執(zhí)行本機(jī)自檢、通訊自檢、A／D測(cè)量校正功能?？刂瓶撮T狗復(fù)位電路，程序跑飛的情況下，系統(tǒng)能自動(dòng)復(fù)位。

4、小結(jié)

本電池組監(jiān)測(cè)儀采用了單一片獨(dú)立現(xiàn)場(chǎng)就地監(jiān)測(cè)電池組內(nèi)各單體電池健康狀況，利用LTC681l作為核心器件，充分利用其ADC采集功能，其外圍電路簡單，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效地降低了產(chǎn)品成本。避免了傳統(tǒng)的方法電路存在的采集精度差和電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。從而提高了電池組參數(shù)的抗干擾測(cè)量精度，并使監(jiān)測(cè)過程變得精確安全可靠。在通訊基站電池組管理系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用中取得良好的效果。