電池的荷電狀 態(tài) （stateofcharge，SOC）測(cè)量計(jì)算是 電池管理 系統(tǒng) （BMS）中最基礎(chǔ)重要 的部分。電池荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)不僅能夠?yàn)槭褂谜咛?a target="_blank">供電池能量供給狀態(tài) ，它還是電池管理系統(tǒng)中充放電管理、均衡控制管理的基礎(chǔ) ，因此準(zhǔn)確測(cè)量電池 SOC的值意義重大。鋰 電池 的均衡本質(zhì)上是荷 電狀態(tài)的均衡 。其數(shù)值為電池 當(dāng)前容量 與額 定容量 的比值 。 目前測(cè)量 SOC的方法有多種 ，主要有安時(shí)積分法 、開(kāi)路電壓法 、內(nèi)阻法和卡爾曼濾波方法 。內(nèi)阻法測(cè)量不穩(wěn)定 ，數(shù)據(jù)擾動(dòng)量較大；卡爾曼濾波算法對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高 ，且初始參量較多 ，計(jì)算量大 。在充分考慮各種算法優(yōu)劣和實(shí)用性 的基礎(chǔ)上 。結(jié)合系統(tǒng)的具體情況 ，采用安時(shí)積分法估計(jì) 電池組的 SOC，然后通過(guò)開(kāi)路 電壓法和溫度 系數(shù)修正 SOC值。

本文以 LTC6804—2芯片為鋰 電池 電壓采集控制芯片 ，使用霍爾傳感器采集充放 電電流，使用 12C總線溫度傳感器芯片采集電池表殼溫度 ，使用 LPC2478為主控芯片．設(shè)計(jì) 了一種基于 LTC6804—2的鋰 電池 SOC應(yīng)用系統(tǒng) 。

鋰電池的SOC是什么意思？

State of Charge的縮寫(xiě)，一般是充電容量與額定容量的比值，用百分比表示。

一個(gè)電池一般是有額定容量的，在某倍率下充電一定的時(shí)間，你可以得到充電容量，這個(gè)容量與你的額定容量的比值即位SOC。

SOC尚無(wú)嚴(yán)格定義。通常認(rèn)為 SOC=100%-DOD

DOD為電池放出電量 100%為電池滿充狀態(tài)是電量安時(shí)值

這個(gè)定義來(lái)自1996年USABC發(fā)布的電池測(cè)試手冊(cè)。

這個(gè)定義里最大的問(wèn)題在于100%是一個(gè)時(shí)變值，隨著電池老化而變化DOD也是一個(gè)不確定的值，不同工況DOD是不一樣的，同工況，測(cè)量方法不同DOD值也不同USABC電池測(cè)試手冊(cè)里給出了一個(gè)DOD測(cè)量流程。

SoC 測(cè)量系統(tǒng)原理

安時(shí)積分法

安時(shí)積分法通過(guò)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)電池組的電流進(jìn)行積分從而得 SOC．計(jì)算公式如下 ：

SOC 表示鋰 電池 SOC的初始值 ，c 表示鋰 電池的額定容量 ，t表示鋰 電池 的充放 電時(shí) 間，，表示鋰 電

池 的充放電電流。安時(shí)積分法簡(jiǎn)單 ，是現(xiàn)在常用 的方法 。由于該方法需要對(duì) 電流積分 ，因此對(duì)電流采集 的精度要求較高，而且誤差會(huì) 由于積分不斷積累 ，常時(shí)間使用誤差會(huì)越來(lái)越大。

開(kāi)路電壓法

開(kāi)路 電壓法 的基本原理是鋰 電池 的 SOC在 一定范 圍內(nèi)時(shí) ．開(kāi)路 電壓 與電池 的 SOC表現(xiàn)很 強(qiáng) 的相關(guān)性 ，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn) 的方法得 出其相關(guān) 曲線。該方 法通過(guò)對(duì)鋰電池充分靜置 ，使電池端 電壓恢復(fù)至開(kāi)路電壓 ，根據(jù)開(kāi)路 電壓 的大小來(lái)進(jìn)行 SOC計(jì)算。該方法簡(jiǎn)單易行 ，而且精度較高 。但是 電池需要靜置很長(zhǎng)時(shí)間 ，不適合在線測(cè)量 ，實(shí)時(shí)性較差 。

本系統(tǒng)采 用安時(shí)積分法 加開(kāi)路 電壓法進(jìn)行 SOC估算 ．即在電池組充放 電的時(shí)候用安時(shí)法進(jìn)行 SOC估算 ，在 電池組擱置狀態(tài)時(shí) ，用開(kāi)路電壓法和電池表殼溫度系數(shù)對(duì)安時(shí)積分法修正 ，充分運(yùn)用兩種方法的特點(diǎn) 。提 高 SOC估算的精度。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 LPC2478作為主控芯片，整個(gè)系統(tǒng)由 l2節(jié)鋰 電池組 、電壓測(cè)量 電路 、溫度傳感器、溫度采集 電路 、霍爾電流傳感器 、電流測(cè)量 電路、通信 電路 組成。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示 。

電壓測(cè)量硬件電路

LTC6804—2是第三代多節(jié) 電池 的電池組監(jiān)視器，可測(cè)量最多 12個(gè)串接電池的電壓并具有低于 1．2mV的 總測(cè)量 誤差 。所 有 12節(jié) 電池 的 電壓 可 在 290Ixs之內(nèi)完成測(cè)量 ，并可選擇較低的數(shù) 據(jù)采集速率以實(shí)現(xiàn)高噪聲抑制 。LTC6804—2具有頻率可編程 三階噪聲濾波器的 l6位增量累加型 ADC。LTC6804—2電池電壓測(cè)量 電 路 如 圖 2所 示 。ISOMD 接 低 電 平 表 示 將LTC6804作為 SPI從設(shè)備 配置 ，SPI接 口與 LPC2478之間采用硅芯片隔離 ，減少電池側(cè)對(duì)數(shù)字主控電路 的干擾 。鋰電池每組電芯電壓為 3．3V。

溫度采集硬件電路

溫度采集芯片使用美 國(guó)德州儀器公 司的 TMP100溫度傳感器芯片 ，溫度 ADC采集硬件電路設(shè)計(jì)如圖 3所示 。

其中 TMP1O0一D1一ADD0和 TMP100一D1一ADD1的不同組合 ，代表該芯片從設(shè)備的通信地址 ，器件的從地址 定 義見(jiàn) 表 1

每個(gè) TMP100芯片可以支持 8種不 同的 12C從地址 ，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有 12路鋰 電池 ，需要 TMP100芯片兩片 ，需要 占用主控芯片 LPC2478兩路 IC接 口。

電流測(cè)量硬件電路

電流測(cè)量數(shù)據(jù)通 過(guò)霍爾 電流傳感器和 ADC電壓采集芯片得到 ，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用南京中霍傳感科技有限公司的 HCS-LSP一20A霍爾電流傳感 器。該傳感器是基 于閉環(huán)磁平衡原理的一款霍爾 電流傳感器 ，能夠測(cè)量直流、交流 、脈沖以及各種不規(guī)則電流等。傳感器的輸出能真實(shí)反映通 電導(dǎo)體的的真實(shí)波。

電流傳感器的輸出電壓范圍為 0．5～4．5V，輸 出電壓通過(guò) ADC采集芯片采集 ，ADC芯片采用 Maxim—IC公司的 MAX1062．該芯片支持 5V輸人 ．14bit采集精度 ，200kS／s采樣率 ，SPI通信接 口，LPC2478芯片一路SPI接 口接該 ADC采集芯片。

LPC2478系統(tǒng)主控硬件電路

考慮到能夠?qū)崿F(xiàn)電壓測(cè)量 、電流測(cè)量 、溫度測(cè)量各項(xiàng)功能 ，同時(shí)滿足系統(tǒng)低功耗特性 ，選用 目前普及最廣的 ARM 芯 片 ，經(jīng) 過(guò) 綜 合 考 慮 。選 取 NXP公 司 的LPC2478芯片 。

LPC2478的一 路 SPI接 口實(shí) 現(xiàn) 與 LTC6804—2、MAX1062兩芯片通信 ，通過(guò) GPIO 口選擇需要通信的芯片：以太 網(wǎng)外部物理層芯片采用 KSZ8041NLI芯片，LPC2478的 以太 網(wǎng) MAC接 口與 KSZ8041NLI芯 片相連 ，KSZ8041NLI通 過(guò) RJ一45接 口 與 外 界 通 信 ；LPC2478芯片其 中兩路 串 口，一路接隔離 RS．422／485芯 片 ADM2582E，一 路 接 隔 離 RS．232 芯 片MAX3250EAI，LPC2478的兩路 IC口與 TMP100溫度采集芯片相連，LPC2478調(diào)試編程接 口為 JTAG接 口。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LTC6804—2配置與通信

LPC2478上電或復(fù)位后 ，首先通過(guò) SPI口初始化LTC6804-2，主要是設(shè)置 SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式 、選擇需要測(cè)量的通道。具體所使用 的函數(shù)如下 ：

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

／／設(shè) 置 ADC工作模式 ，電池測(cè)量通道 ，放電允許位設(shè)置

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

void LTC6804一 adcv（）；／／啟動(dòng) ltc6804-2電池測(cè)量

／／讀取 12節(jié)電池測(cè)量電壓

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寫(xiě)配置寄存 器

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

ltc6804—2讀配置寄存器

溫度采集芯片配置與溫度數(shù)據(jù)讀取

TMP100內(nèi)部有 4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和 1個(gè)指針寄存器 ，通過(guò)指針寄存器索引被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)寄存器 ，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的讀寫(xiě)通過(guò)指針 寄存器的最后兩位決定 ，指針寄存器定義見(jiàn)表 2，數(shù)據(jù)寄存器定 義見(jiàn)表 3，配置寄存器定義見(jiàn)表 4。

SD（shutdown）：該位置 1，TMP100進(jìn)入待機(jī)省電模式 ，芯片停止工作 ；該位置 0時(shí) ，進(jìn)入正常工作模式 ，溫度 值 可正 常讀 取 ：R1／R0（CONVERTER RESOLU—TION）：該位表示 轉(zhuǎn)換分辨率 ，該系統(tǒng)設(shè) 置 R1／R0為11，即分辨率為 12bits，0．0625oC，完成一次溫度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時(shí)間為 320ms，溫度寄存器是 16bits的寄存器 ，采用 2進(jìn)制補(bǔ)碼計(jì)算。

電流采集程序設(shè)計(jì)

霍爾傳感器輸 出是 電壓數(shù)據(jù) ，MAX1062采集電壓值 ，轉(zhuǎn)換為 2進(jìn)制數(shù)據(jù) ．LPC2478與 MAX1062通信為SPI接 口。其 中 LPC2478的時(shí)鐘極性控制 位 CPOL和時(shí)鐘相位控制位 CPHA都設(shè) 置為 0，即 SPI總線空 閑時(shí)，SCLK時(shí)鐘總線為低 電平 ，SPI數(shù)據(jù)總線在時(shí)鐘線的第一個(gè)跳變沿采樣數(shù)據(jù) ，即上升沿采集數(shù)據(jù)。

LPC2478需要 3個(gè) SPI讀周期 ，才能將采集 的數(shù)據(jù)讀出來(lái)，實(shí)際有用的數(shù)據(jù)是 D13 ～ D0，記為 DMAX1062，VMAX1062為霍爾傳感器的輸出電壓，IPN表示額定電流，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為 20 A，IP 表示測(cè)量電流，范圍為 0 ～ 20 A。計(jì)算公式見(jiàn)式（2） ～ 式（5）。

LPC2478 主控程序設(shè)計(jì)

AＲM 主控芯片主要任務(wù)有：

① 配置 LTC6804 － 2 芯片，讀取電池電壓數(shù)據(jù)和執(zhí)行其他命令控制;

② 配置溫度采集芯片，讀取溫度采集結(jié)果;

③ 計(jì)算霍爾電流傳感器充放電電流;

④ 控制一路隔離 ＲS-422 /485 串口，與上位機(jī)進(jìn)行通信;

⑤ 控制一路隔離 ＲS-232 串口，與上位機(jī)進(jìn)行通信;

⑥ 控制一路 10 M /100 M 自適應(yīng)以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)將各項(xiàng)參數(shù)傳送給上位機(jī);

⑦ 看門(mén)狗復(fù)位電路，程序跑飛的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

7 個(gè)任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)排序，其中①任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，在 LPC2478 內(nèi)部執(zhí)行一些智能算法，當(dāng)電池表面溫度過(guò)高，停止充放電，當(dāng)電池充放電電壓達(dá)到報(bào)警警戒，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，告知操作人員采取一定措施。

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)雙向 10 M /100 M 自適應(yīng)雙向通信，采用了基于 μC /OS － II 的小型 TCP / IP 協(xié)議棧。它使用 μC /OS － II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)多任務(wù)并行并可重入的協(xié)議棧。本系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行，使用 UDP 通信協(xié)議連接。AＲM 主控程序設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖 4。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和結(jié)論為了測(cè)試本系統(tǒng)的測(cè)量精度及抗干擾能力，設(shè)計(jì)了一套測(cè)試方案。測(cè)試方案包括：本系統(tǒng)，一套獨(dú)立供電的高精度數(shù)控編程可調(diào)穩(wěn)壓線性電源，調(diào)試計(jì)算機(jī)一臺(tái)，高精度數(shù)字萬(wàn)用表一臺(tái)?？烧{(diào)穩(wěn)壓線性電源主要給LPC2478 主控電路供電，高精度數(shù)字萬(wàn)用表可測(cè)量每節(jié)電池的電壓，調(diào)試計(jì)算機(jī)主要承擔(dān)上位機(jī)角色，記錄采集數(shù)據(jù)。表 5 是一段時(shí)間 12 節(jié)鋰電池各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的拷機(jī)測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小于 0． 05% 。隨著溫度的升高，電池的容量會(huì)有所增加，但是本系統(tǒng)中鋰電池的表殼溫度不能超過(guò)48 ℃，超過(guò)該溫度，電池可能有問(wèn)題，將電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、SOC 值代入 Matlab，進(jìn)行多次曲線擬合，得出 SOC 的計(jì)算公式。本系統(tǒng)可以推廣到 UPS電源或礦用鋰電池管理系統(tǒng)等工程實(shí)際中使用