電池的荷電狀 態 （stateofcharge，SOC）測量計算是 電池管理 系統 （BMS）中最基礎重要 的部分。電池荷電狀態的準確監測不僅能夠為使用者提供電池能量供給狀態 ，它還是電池管理系統中充放電管理、均衡控制管理的基礎 ，因此準確測量電池 SOC的值意義重大。鋰 電池 的均衡本質上是荷 電狀態的均衡 。其數值為電池 當前容量 與額 定容量 的比值 。 目前測量 SOC的方法有多種 ，主要有安時積分法 、開路電壓法 、內阻法和卡爾曼濾波方法 。內阻法測量不穩定 ，數據擾動量較大；卡爾曼濾波算法對實時性要求較高 ，且初始參量較多 ，計算量大 。在充分考慮各種算法優劣和實用性 的基礎上 。結合系統的具體情況 ，采用安時積分法估計 電池組的 SOC，然后通過開路 電壓法和溫度 系數修正 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．設計 了一種基于 LTC6804—2的鋰 電池 SOC應用系統 。

鋰電池的SOC是什么意思？

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

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

SOC尚無嚴格定義。通常認為 SOC=100%-DOD

DOD為電池放出電量 100%為電池滿充狀態是電量安時值

這個定義來自1996年USABC發布的電池測試手冊。

這個定義里最大的問題在于100%是一個時變值，隨著電池老化而變化DOD也是一個不確定的值，不同工況DOD是不一樣的，同工況，測量方法不同DOD值也不同USABC電池測試手冊里給出了一個DOD測量流程。

SoC 測量系統原理

安時積分法

安時積分法通過對單位時間內流過電池組的電流進行積分從而得 SOC．計算公式如下 ：

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 間，，表示鋰 電

池 的充放電電流。安時積分法簡單 ，是現在常用 的方法 。由于該方法需要對 電流積分 ，因此對電流采集 的精度要求較高，而且誤差會 由于積分不斷積累 ，常時間使用誤差會越來越大。

開路電壓法

開路 電壓法 的基本原理是鋰 電池 的 SOC在 一定范 圍內時 ．開路 電壓 與電池 的 SOC表現很 強 的相關性 ，可以通過實驗 的方法得 出其相關 曲線。該方 法通過對鋰電池充分靜置 ，使電池端 電壓恢復至開路電壓 ，根據開路 電壓 的大小來進行 SOC計算。該方法簡單易行 ，而且精度較高 。但是 電池需要靜置很長時間 ，不適合在線測量 ，實時性較差 。

本系統采 用安時積分法 加開路 電壓法進行 SOC估算 ．即在電池組充放 電的時候用安時法進行 SOC估算 ，在 電池組擱置狀態時 ，用開路電壓法和電池表殼溫度系數對安時積分法修正 ，充分運用兩種方法的特點 。提 高 SOC估算的精度。

系統硬件設計

系統采用 LPC2478作為主控芯片，整個系統由 l2節鋰 電池組 、電壓測量 電路 、溫度傳感器、溫度采集 電路 、霍爾電流傳感器 、電流測量 電路、通信 電路 組成。

系統硬件結構框圖如圖 1所示 。

電壓測量硬件電路

LTC6804—2是第三代多節 電池 的電池組監視器，可測量最多 12個串接電池的電壓并具有低于 1．2mV的 總測量 誤差 。所 有 12節 電池 的 電壓 可 在 290Ixs之內完成測量 ，并可選擇較低的數 據采集速率以實現高噪聲抑制 。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電池電壓測量 電 路 如 圖 2所 示 。ISOMD 接 低 電 平 表 示 將LTC6804作為 SPI從設備 配置 ，SPI接 口與 LPC2478之間采用硅芯片隔離 ，減少電池側對數字主控電路 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采集硬件電路設計如圖 3所示 。

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

每個 TMP100芯片可以支持 8種不 同的 12C從地址 ，系統設計有 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。

電流測量硬件電路

電流測量數據通 過霍爾 電流傳感器和 ADC電壓采集芯片得到 ，本系統設計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 于閉環磁平衡原理的一款霍爾 電流傳感器 ，能夠測量直流、交流 、脈沖以及各種不規則電流等。傳感器的輸出能真實反映通 電導體的的真實波。

電流傳感器的輸出電壓范圍為 0．5～4．5V，輸 出電壓通過 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系統主控硬件電路

考慮到能夠實現電壓測量 、電流測量 、溫度測量各項功能 ，同時滿足系統低功耗特性 ，選用 目前普及最廣的 ARM 芯 片 ，經 過 綜 合 考 慮 。選 取 NXP公 司 的LPC2478芯片 。

LPC2478的一 路 SPI接 口實 現 與 LTC6804—2、MAX1062兩芯片通信 ，通過 GPIO 口選擇需要通信的芯片：以太 網外部物理層芯片采用 KSZ8041NLI芯片，LPC2478的 以太 網 MAC接 口與 KSZ8041NLI芯 片相連 ，KSZ8041NLI通 過 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調試編程接 口為 JTAG接 口。

系統軟件設計

LTC6804—2配置與通信

LPC2478上電或復位后 ，首先通過 SPI口初始化LTC6804-2，主要是設置 SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式 、選擇需要測量的通道。具體所使用 的函數如下 ：

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

／／設 置 ADC工作模式 ，電池測量通道 ，放電允許位設置

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

void LTC6804一 adcv（）；／／啟動 ltc6804-2電池測量

／／讀取 12節電池測量電壓

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據讀取

TMP100內部有 4個數據寄存器和 1個指針寄存器 ，通過指針寄存器索引被訪問的數據寄存器 ，對數據寄存器的讀寫通過指針 寄存器的最后兩位決定 ，指針寄存器定義見表 2，數據寄存器定 義見表 3，配置寄存器定義見表 4。

SD（shutdown）：該位置 1，TMP100進入待機省電模式 ，芯片停止工作 ；該位置 0時 ，進入正常工作模式 ，溫度 值 可正 常讀 取 ：R1／R0（CONVERTER RESOLU—TION）：該位表示 轉換分辨率 ，該系統設 置 R1／R0為11，即分辨率為 12bits，0．0625oC，完成一次溫度數據采集轉換時間為 320ms，溫度寄存器是 16bits的寄存器 ，采用 2進制補碼計算。

電流采集程序設計

霍爾傳感器輸 出是 電壓數據 ，MAX1062采集電壓值 ，轉換為 2進制數據 ．LPC2478與 MAX1062通信為SPI接 口。其 中 LPC2478的時鐘極性控制 位 CPOL和時鐘相位控制位 CPHA都設 置為 0，即 SPI總線空 閑時，SCLK時鐘總線為低 電平 ，SPI數據總線在時鐘線的第一個跳變沿采樣數據 ，即上升沿采集數據。

LPC2478需要 3個 SPI讀周期 ，才能將采集 的數據讀出來，實際有用的數據是 D13 ～ D0，記為 DMAX1062，VMAX1062為霍爾傳感器的輸出電壓，IPN表示額定電流，系統設計為 20 A，IP 表示測量電流，范圍為 0 ～ 20 A。計算公式見式（2） ～ 式（5）。

LPC2478 主控程序設計

AＲM 主控芯片主要任務有：

① 配置 LTC6804 － 2 芯片，讀取電池電壓數據和執行其他命令控制;

② 配置溫度采集芯片，讀取溫度采集結果;

③ 計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，與上位機進行通信;

⑤ 控制一路隔離 ＲS-232 串口，與上位機進行通信;

⑥ 控制一路 10 M /100 M 自適應以太網，實時將各項參數傳送給上位機;

⑦ 看門狗復位電路，程序跑飛的情況下，系統自動復位。

7 個任務按照優先級排序，其中①任務優先級最高，在 LPC2478 內部執行一些智能算法，當電池表面溫度過高，停止充放電，當電池充放電電壓達到報警警戒，及時將數據傳送給上位機，告知操作人員采取一定措施。

本系統為實現網絡雙向 10 M /100 M 自適應雙向通信，采用了基于 μC /OS － II 的小型 TCP / IP 協議棧。它使用 μC /OS － II 實時操作系統的信號機制來實現個多任務并行并可重入的協議棧。本系統程序實現多任務實時運行，使用 UDP 通信協議連接。AＲM 主控程序設計流程圖見圖 4。

試驗數據采集和結論為了測試本系統的測量精度及抗干擾能力，設計了一套測試方案。測試方案包括：本系統，一套獨立供電的高精度數控編程可調穩壓線性電源，調試計算機一臺，高精度數字萬用表一臺。可調穩壓線性電源主要給LPC2478 主控電路供電，高精度數字萬用表可測量每節電池的電壓，調試計算機主要承擔上位機角色，記錄采集數據。表 5 是一段時間 12 節鋰電池各項統計數據。

經過一段時間的拷機測試，系統測量精度高，測量誤差小于 0． 05% 。隨著溫度的升高，電池的容量會有所增加，但是本系統中鋰電池的表殼溫度不能超過48 ℃，超過該溫度，電池可能有問題，將電流數據、電壓數據、溫度數據、SOC 值代入 Matlab，進行多次曲線擬合，得出 SOC 的計算公式。本系統可以推廣到 UPS電源或礦用鋰電池管理系統等工程實際中使用