基于LTC6804-2的锂电池SOC应用研究

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。锂 电池 的均衡本质上是荷 电状态的均衡 。其数值为电池 当前容量 与额 定容量 的比值 。 目前测量 SOC的方法有多种 ，主要有安时积分法 、开路电压法 、内阻法和卡尔曼滤波方法 。内阻法测量不稳定 ，数据扰动量较大；卡尔曼滤波算法对实时性要求较高 ，且初始参量较多 ，计算量大 。在充分考虑各种算法优劣和实用性 的基础上 。结合系统的具体情况 ，采用安时积分法估计 电池组的 SOC，然后通过开路 电压法和温度 系数修正 SOC值。

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 12C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 。

锂电池的SOC是什么意思？

State of Charge的缩写，一般是充电容量与额定容量的比值，用百分比表示。

一个电池一般是有额定容量的，在某倍率下充电一定的时间，你可以得到充电容量，这个容量与你的额定容量的比值即位SOC。

SOC尚无严格定义。通常认为 SOC=100%-DOD

DOD为电池放出电量 100%为电池满充状态是电量安时值

这个定义来自1996年USABC发布的电池测试手册。

这个定义里最大的问题在于100%是一个时变值，随着电池老化而变化DOD也是一个不确定的值，不同工况DOD是不一样的，同工况，测量方法不同DOD值也不同USABC电池测试手册里给出了一个DOD测量流程。

SoC 测量系统原理

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 ：

SOC 表示锂 电池 SOC的初始值 ，c 表示锂 电池的额定容量 ，t表示锂 电池 的充放 电时 间，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。

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。

系统硬件设计

系统采用 LPC2478作为主控芯片，整个系统由 l2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 。

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 290Ixs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 l6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。

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 TMP1O0一D1一ADD0和 TMP100一D1一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 12C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 IC接 口。

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一20A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。

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输人 ．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。

LPC2478系统主控硬件电路

考虑到能够实现电压测量 、电流测量 、温度测量各项功能 ，同时满足系统低功耗特性 ，选用 目前普及最广的 ARM 芯 片 ，经 过 综 合 考 虑 。选 取 NXP公 司 的LPC2478芯片 。

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一45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 IC口与 TMP100温度采集芯片相连，LPC2478调试编程接 口为 JTAG接 口。

系统软件设计

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 ：

void LTC6804一 initialize（）； ／／hc6804-2的初始 化函数

／／设 置 ADC工作模式 ，电池测量通道 ，放电允许位设置

void set— adc（uint8一tMD，uint8一tDCP，uint8一tCH，uint8一tCHG）；

void LTC6804一 adcv（）；／／启动 ltc6804-2电池测量

／／读取 12节电池测量电压

uint8一 tLTC6804一 rdcv（uint8—treg，uint8一ttotal—．ic，uintl6—．tcell—

codes［］［12］）；

void LTC6804一 wrcfg（uint8一tnIC，uint8一tconfig［］［6］）； ／／hc6804

— 2写配置寄存 器

int8一 tLTC6804一 ~dcfg（uint8一tnIC，uint8一tr—conflg［］［8］）；／／

ltc6804—2读配置寄存器

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。

SD（shutdown）：该位置 1，TMP100进入待机省电模式 ，芯片停止工作 ；该位置 0时 ，进入正常工作模式 ，温度 值 可正 常读 取 ：R1／R0（CONVERTER RESOLU—TION）：该位表示 转换分辨率 ，该系统设 置 R1／R0为11，即分辨率为 12bits，0．0625oC，完成一次温度数据采集转换时间为 320ms，温度寄存器是 16bits的寄存器 ，采用 2进制补码计算。

电流采集程序设计

霍尔传感器输 出是 电压数据 ，MAX1062采集电压值 ，转换为 2进制数据 ．LPC2478与 MAX1062通信为SPI接 口。其 中 LPC2478的时钟极性控制 位 CPOL和时钟相位控制位 CPHA都设 置为 0，即 SPI总线空 闲时，SCLK时钟总线为低 电平 ，SPI数据总线在时钟线的第一个跳变沿采样数据 ，即上升沿采集数据。

LPC2478需要 3个 SPI读周期 ，才能将采集 的数据读出来，实际有用的数据是 D13 ～ D0，记为 DMAX1062，VMAX1062为霍尔传感器的输出电压，IPN表示额定电流，系统设计为 20 A，IP 表示测量电流，范围为 0 ～ 20 A。计算公式见式（2） ～ 式（5）。

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 10 M /100 M 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。

7 个任务按照优先级排序，其中①任务优先级最高，在 LPC2478 内部执行一些智能算法，当电池表面温度过高，停止充放电，当电池充放电电压达到报警警戒，及时将数据传送给上位机，告知操作人员采取一定措施。

本系统为实现网络双向 10 M /100 M 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。

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。

经过一段时间的拷机测试，系统测量精度高，测量误差小于 0． 05% 。随着温度的升高，电池的容量会有所增加，但是本系统中锂电池的表壳温度不能超过48 ℃，超过该温度，电池可能有问题，将电流数据、电压数据、温度数据、SOC 值代入 Matlab，进行多次曲线拟合，得出 SOC 的计算公式。本系统可以推广到 UPS电源或矿用锂电池管理系统等工程实际中使用