電池的荷電狀 態(tài) （stateofcharge，SOC）測量計算是 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)測不僅能夠為使用者提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 。 目前測量 SOC的方法有多種 ，主要有安時積分法 、開路電壓法 、內(nèi)阻法和卡爾曼濾波方法 。內(nèi)阻法測量不穩(wěn)定 ，數(shù)據(jù)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(yōu)劣和實用性 的基礎(chǔ)上 。結(jié)合系統(tǒng)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(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 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，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(tài)是電量安時值

這個定義來自1996年USABC發(fā)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(tǒng)原理

安時積分法

安時積分法通過對單位時間內(nèi)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(xiàn)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(nèi)時 ．開路 電壓 與電池 的 SOC表現(xiàn)很 強 的相關(guān)性 ，可以通過實驗 的方法得 出其相關(guān) 曲線。該方 法通過對鋰電池充分靜置 ，使電池端 電壓恢復(fù)至開路電壓 ，根據(jù)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(tǒng)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(tài)時 ，用開路電壓法和電池表殼溫度系數(shù)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(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用 LPC2478作為主控芯片，整個系統(tǒng)由 l2節(jié)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示 。

電壓測量硬件電路

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(jié) 電池 的 電壓 可 在 290Ixs之內(nèi)完成測量 ，并可選擇較低的數(shù) 據(jù)采集速率以實現(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 表 1

每個 TMP100芯片可以支持 8種不 同的 12C從地址 ，系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)通 過霍爾 電流傳感器和 ADC電壓采集芯片得到 ，本系統(tǒng)設(shè)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(huán)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(guī)則電流等。傳感器的輸出能真實反映通 電導(dǎo)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(tǒng)主控硬件電路

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

LPC2478的一 路 SPI接 口實 現(xiàn) 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(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 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

LTC6804—2配置與通信

LPC2478上電或復(fù)位后 ，首先通過 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 ltc6804-2電池測量

／／讀取 12節(jié)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(shù)據(jù)讀取

TMP100內(nèi)部有 4個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器 ，對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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(shè)計

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進制數(shù)據(jù) ．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(shè) 置為 0，即 SPI總線空 閑時，SCLK時鐘總線為低 電平 ，SPI數(shù)據(jù)總線在時鐘線的第一個跳變沿采樣數(shù)據(jù) ，即上升沿采集數(shù)據(jù)。

LPC2478需要 3個 SPI讀周期 ，才能將采集 的數(shù)據(jù)讀出來，實際有用的數(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(shè)計

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(yīng)以太網(wǎng)，實時將各項參數(shù)傳送給上位機;

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

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

本系統(tǒng)為實現(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 實時操作系統(tǒng)的信號機制來實現(xiàn)個多任務(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)實時運行，使用 UDP 通信協(xié)議連接。AＲM 主控程序設(shè)計流程圖見圖 4。

試驗數(shù)據(jù)采集和結(jié)論為了測試本系統(tǒng)的測量精度及抗干擾能力，設(shè)計了一套測試方案。測試方案包括：本系統(tǒng)，一套獨立供電的高精度數(shù)控編程可調(diào)穩(wěn)壓線性電源，調(diào)試計算機一臺，高精度數(shù)字萬用表一臺。可調(diào)穩(wěn)壓線性電源主要給LPC2478 主控電路供電，高精度數(shù)字萬用表可測量每節(jié)電池的電壓，調(diào)試計算機主要承擔(dān)上位機角色，記錄采集數(shù)據(jù)。表 5 是一段時間 12 節(jié)鋰電池各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

經(jīng)過一段時間的拷機測試，系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、SOC 值代入 Matlab，進行多次曲線擬合，得出 SOC 的計算公式。本系統(tǒng)可以推廣到 UPS電源或礦用鋰電池管理系統(tǒng)等工程實際中使用