鉅大LARGE | 點擊量：1782次 | 2020年02月12日
基于LTC6811通訊基站電池組在線監測儀的設計
摘要：本文應用LinearTechnology公司推出的第四代電池組監控芯片LTC6811，設計一套可用于通訊基站電池組的監控平臺。該系統監測儀單元可實現2V24節48V串聯單體電池的模塊監控，利用模塊化設計，方便擴展實現多地點多套電池系統電池組監控。
1、系統總體設計
傳統電池監測較多使用分離器件法，通過電阻、電容、運放和ADC等實現多個參數的采集。硬件復雜，精度低，抗干擾能力差。分析比較現有各種蓄電池電壓測量方法『1I2］，給出了在電池組在線監測儀研發方面的兩項關鍵技術如圖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，作為下位機負責采集實時測量電池組電池電壓、溫度、電流，實現了對電池組運行參數的現場實時動態監測管理。二是選用RS485作為下位機與上位機工控機實現遠距離通信的串行接口，在上位機上建立完整的數據記載和分析并建立起一個相應的數據庫系統。為蓄電池建立完整的病歷，通過對同一蓄電池的運行歷史數據的分析和同型蓄電池的運行數據的一致性分析，數據采集和趨勢邏輯分析功能做到準確判別電池健康狀態，并將蓄電池組全部信息通過以太網遠傳至監控中心機房。可支持多地點電信基站和多套電池系統，數據可存儲在網內任何pC或者站點，實現了分布式機房蓄電池組的在線檢測和集中管理。
2、參數硬件采集系統的設計
LTC6811［314］是凌力爾特公司推出的第四代多節電池的電池組電壓檢測芯片，其內置模數轉換器，可測量12個串接電池測量，輸入電壓范圍為05V。堆疊式架構可以把多個LTC6811器件串接起來。內置的頻率可編程三階噪聲濾波器的16位增量累加型ADC具有優異的抗開關噪音、較強電磁兼容抗干擾性能。電壓采集優于0．04％的高精度，1．2mV最大總測量誤差。工作溫度范圍一40。C至125。C滿足汽車級芯片際準（符合ISO26262（ASIL）標準）要求。內置了一個熱停機電路、一個冗余電壓基準、擴展的邏輯測試電路、導線開路檢測功能、一個看門狗定時器和在串行接口的數據包誤差檢驗，全套自測試確保無潛在故障情況。完全適用于通訊基站的復雜的工業應用的環境。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
本系統運用LTC68~t11配合STM32F103單片機對串聯電池組的單體電壓進行采集，如圖2所示。兩個LTC6811-1串聯使用可采集24塊單體2V電池串聯的48V電壓數據。STM32F103與LTC6811-1通過SpI通信接口進行通信。兩者之間，選用現在性能優異的數字隔離芯片Si8441進行完美隔離。相鄰的LTC6811-1僅需單個變壓器通過isoSpI端口之間連接。
2.1單體電壓采集
確定電池健康狀態的基礎是非常準確的電池電壓測量。將串聯的單體電池分別接入LTC68111兩個芯片的CO到C12電壓采集輸入端。ADCV命令用于啟動電池輸入f引腳CO至c12）的測量。頻率可編程△乏ADC選用標準7kHz速率的標準操作模式，在該模式中，ADC具有高分辨率和低總測量誤差，實現超卓的噪聲抑制速度與準確度的最優組合。為提高ADC讀取質量，還使用了外部濾波器。在輸入通路中插入1001~的串聯電阻器，而不會引入重大的測量誤差，這可以通過提高濾波器電容或借助軟件和一種校準程序進行數學補償予以改善。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0．1F并聯電容器，可將HF噪聲去耦至v一，一個串聯電阻和電容器以構成RC低通去耦濾波電路抑制30dB電壓信號中的高頻噪聲干擾。為了保護電壓采集輸入端，防止超限電壓沖擊，在輸入端口并聯一個穩壓管，選擇大于2倍的單體電池工作電壓2V的穩壓管。兩項保護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
LTC6811的ADSTAT命令是一種用于測量以下內部器件參數的命令：所有電池的總~n（soc）、內部芯片溫度（ITMp）、仿真電源fvA）和數字電源（VD）。所有電池測量結果的總和是C12和C0之間的電壓f具有一個20：1的衰減）。電池測量結果總和的l6位ADC測量值（soc）存儲在狀態寄存器組A當中。利用SOC值，可由下式得出所有電池電壓測量結果之和：
Vl=SOCl20100V
V2=SOC220100V
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，所以對收集電池電壓測量值以及關聯電池電壓測量值與溫度和電流而言，LTC6811具備獨特優勢。內部集成輔助ADC，通過其通用I／O（GpIO），可將外部傳感器測量值多路轉換至電池電壓采樣系統。內部的特定命令自動地處理這種同步功能。ADC負責測量GpIO（n）~的電壓（相對于v一1并將測量結果存儲于寄存器中。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量。輔助ADC采用的ADC具有△∑調制器和一個位于其后的SINC3有限脈沖響應（FIR）數字濾波器。這極大地降低了輸入濾波要求。由于測量均參考于V一，因此GpIO引腳將始終采用一種接地電容器配置。
2.3.1電流測量硬件電路電流測量系統
采用瑞士萊姆LEMDHAB系列傳感器，適用于測量直流、交流和脈沖電流，主要應用于大功率、低電壓的蓄電池監測，廣泛地應用于測量大的電池電流。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計，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反映通電導體的真實波形。
LEMDHAB輸出是電壓數據，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。其可產生兩個與所提供之VCC成比例的輸出，并產生連接至GpIO引腳。
2.3.2溫度采集電路
電池單體節點溫度是組態信息中的重要參數，溫度采集電路如圖4所示。設計中選取負溫度系數（NTC）熱敏電阻作為外部溫度傳感探頭，將溫度信號轉換為電壓信號。LTC681l一1的VREF2引腳專為溫度檢測所需的電流而設計，ADC測量以VREF2引腳電壓標稱值3V為基準，用于驅動多個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是與NTC值相對應，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時提供1．5V電壓。ADAX命令用于啟動GpIO輸入的測量，選擇要測量的GpIO輸入及ADC模式的選項。所有的輔助測量均相對于V一引腳電壓。采用一個外部0．1IxF的電容器進行旁路，濾除高頻干擾，提高采樣精度。
3、軟件控制系統
該系統軟件設計程序流程圖如圖5所示，主要完成STM32F103通過SH口通信對LTC6811發送命令代碼。①啟動電壓轉換讀電壓、讀電流和讀溫度信息等各項自動測量操作：如欲在測量模式中啟動電池電壓測量，則發送一個啟動A／D轉換命令，MCU將接收到的數據信息顯示在液晶顯示屏上。②完成本機數據記錄、存儲功能：存儲電池組總電壓、電流、標志電池溫度、各單體電池電壓等項最近300個采樣周期數據和30次過程電流安時數，存儲最近300次報警及處理恢復過程的數據（發生時間、報警種類、超限或狀態數據、上報應答、恢復時間）。存儲本機各設定值（各被測數據報警上下限及缺省值、網絡通訊地址號、通訊口參數、被測電池組節數等）。③完成自動狀態判別和報警：在MCU內部執行一些智能算法，設定警戒門限參數，當電池充放電電壓達到過壓欠壓、電池表面溫度異常過高、停止充放電等異常狀態，及時報警。④完成與圖5軟件系統流程圖上位機聯機功能：控制一路隔離RS485串口，與上位機進行通信，主動向上位機發送全部數據，接收并執行上位機的遠程控制和參數設定命令。⑤完成自檢和校驗功能；執行本機自檢、通訊自檢、A／D測量校正功能。控制看門狗復位電路，程序跑飛的情況下，系統能自動復位。
4、小結
本電池組監測儀采用了單一片獨立現場就地監測電池組內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，簡化了系統的結構，有效地降低了產品成本。避免了傳統的方法電路存在的采集精度差和電路結構復雜的問題。從而提高了電池組參數的抗干擾測量精度，并使監測過程變得精確安全可靠。在通訊基站電池組管理系統實際工程應用中取得良好的效果。
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