基于LTC6811通讯基站电池组在线监测仪的设计

电路

摘要：本文应用LinearTechnology公司推出的第四代电池组监控芯片LTC6811，设计一套可用于通讯基站电池组的监控平台。该系统监测仪单元可实现2V24节48V串联单体电池的模块监控，利用模块化设计，方便扩展实现多地点多套电池系统电池组监控。
1、系统总体设计

传统电池监测较多使用分离器件法，通过电阻、电容、运放和ADC等实现多个参数的采集。硬件复杂，精度低，抗干扰能力差。分析比较现有各种蓄电池电压测量方法『1I2］，给出了在电池组在线监测仪研发方面的两项关键技术如图1所示：一是采用凌力尔特公司LTC6811组成单一种类芯片线性采样电路，并以STM32F103微处理器为核心，作为下位机负责采集实时测量电池组电池电压、温度、电流，实现了对电池组运行参数的现场实时动态监测管理。二是选用RS485作为下位机与上位机工控机实现远距离通信的串行接口，在上位机上建立完整的数据记载和分析并建立起一个相应的数据库系统。为蓄电池建立完整的病历，通过对同一蓄电池的运行历史数据的分析和同型蓄电池的运行数据的一致性分析，数据采集和趋势逻辑分析功能做到准确判别电池健康状态，并将蓄电池组全部信息通过以太网远传至监控中心机房。可支持多地点电信基站和多套电池系统，数据可存储在网内任何PC或者站点，实现了分布式机房蓄电池组的在线检测和集中管理。

2、参数硬件采集系统的设计

LTC6811［314］是凌力尔特公司推出的第四代多节电池的电池组电压检测芯片，其内置模数转换器，可测量12个串接电池测量，输入电压范围为0—5V。堆叠式架构可以把多个LTC6811器件串接起来。内置的频率可编程三阶噪声滤波器的16位增量累加型ADC具有优异的抗开关噪音、较强电磁兼容抗干扰性能。电压采集优于0．04％的高精度，1．2mV最大总测量误差。工作温度范围一40。C至125。C满足汽车级芯片际准（符合ISO26262（ASIL）标准）要求。内置了一个热停机电路、一个冗余电压基准、扩展的逻辑测试电路、导线开路检测功能、一个看门狗定时器和在串行接口的数据包误差检验，全套自测试确保无潜在故障情况。完全适用于通讯基站的复杂的工业应用的环境。
本系统运用LTC68~t1—1配合STM32F103单片机对串联电池组的单体电压进行采集，如图2所示。两个LTC6811-1串联使用可采集24块单体2V电池串联的48V电压数据。STM32F103与LTC6811-1通过SPI通信接口进行通信。两者之间，选用现在性能优异的数字隔离芯片Si8441进行完美隔离。相邻的LTC6811-1仅需单个变压器通过isoSPI端口之间连接。

2.1单体电压采集

确定电池健康状态的基础是非常准确的电池电压测量。将串联的单体电池分别接入LTC6811—1两个芯片的CO到C12电压采集输入端。ADCV命令用于启动电池输入f引脚CO至c12）的测量。频率可编程△乏ADC选用标准7kHz速率的标准操作模式，在该模式中，ADC具有高分辨率和低总测量误差，实现超卓的噪声抑制速度与准确度的最优组合。为提高ADC读取质量，还使用了外部滤波器。在输入通路中插入1001~的串联电阻器，而不会引入重大的测量误差，这可以通过提高滤波器电容或借助软件和一种校准程序进行数学补偿予以改善。采用接地电容器滤波抑制电池电压纹波，可在电池输入与V一之间增设0．1F并联电容器，可将HF噪声去耦至v一，一个串联电阻和电容器以构成RC低通去耦滤波电路抑制30dB电压信号中的高频噪声干扰。为了保护电压采集输入端，防止超限电压冲击，在输入端口并联一个稳压管，选择大于2倍的单体电池工作电压2V的稳压管。两项保护措施提高了芯片耐浪涌的冲击能力，有助于抑制具潜在破坏性的高能量瞬变。
2.2总电压检测

LTC6811的ADSTAT命令是一种用于测量以下内部器件参数的命令：所有电池的总~n（soc）、内部芯片温度（ITMP）、仿真电源fvA）和数字电源（VD）。所有电池测量结果的总和是C12和C0之间的电压f具有一个20：1的衰减）。电池测量结果总和的l6位ADC测量值（soc）存储在状态寄存器组A当中。利用SOC值，可由下式得出所有电池电压测量结果之和：
Vl=SOCl·20·100V
V2=SOC·220·100V
2.3电池电流的捕获和温度采集电路

由于可以直接连接电池，所以对收集电池电压测量值以及关联电池电压测量值与温度和电流而言，LTC6811具备独特优势。内部集成辅助ADC，通过其通用I／O（GPIO），可将外部传感器测量值多路转换至电池电压采样系统。内部的特定命令自动地处理这种同步功能。ADC负责测量GPIO（n）~的电压（相对于v一1并将测量结果存储于寄存器中。将温度传感器热敏电阻输出的电压量输入到ADC端口，可以完成温度测量；将霍尔电流传感器的输入接入ADC端口，可以完成电池组电流的测量。辅助ADC采用的ADC具有△∑调制器和一个位于其后的SINC3有限脉冲响应（FIR）数字滤波器。这极大地降低了输入滤波要求。由于测量均参考于V一，因此GPIO引脚将始终采用一种接地电容器配置。
2.3.1电流测量硬件电路电流测量系统

采用瑞士莱姆LEMDHAB系列传感器，适用于测量直流、交流和脉冲电流，主要应用于大功率、低电压的蓄电池监测，广泛地应用于测量大的电池电流。原边电路（大功率）和副边电路（电子电路）之间采用电气隔离设计，提供了一种非接触式的低功耗解决方案。传感器的输出能真实反映通电导体的真实波形。
LEMDHAB输出是电压数据，副边电压为2V，输出电压通过LTC6811辅助ADC输入（GPIO引脚），如图3所示。其可产生两个与所提供之VCC成比例的输出，并产生连接至GPIO引脚。

2.3.2温度采集电路

电池单体节点温度是组态信息中的重要参数，温度采集电路如图4所示。设计中选取负温度系数（NTC）热敏电阻作为外部温度传感探头，将温度信号转换为电压信号。LTC681l一1的VREF2引脚专为温度检测所需的电流而设计，ADC测量以VREF2引脚电压标称值3V为基准，用于驱动多个10kn热敏电阻NTC，提供偏置所需的电流，偏置电阻器的选择依据是与NTC值相对应，选用精度为l％的10kn的电阻作为偏置电阻。这样该电路将在25。C时提供1．5V电压。ADAX命令用于启动GPIO输入的测量，选择要测量的GPIO输入及ADC模式的选项。所有的辅助测量均相对于V一引脚电压。采用一个外部0．1IxF的电容器进行旁路，滤除高频干扰，提高采样精度。
3、软件控制系统

该系统软件设计程序流程图如图5所示，主要完成STM32F103通过SH口通信对LTC6811发送命令代码。①启动电压转换读电压、读电流和读温度信息等各项自动测量操作：如欲在测量模式中启动电池电压测量，则发送一个启动A／D转换命令，MCU将接收到的数据信息显示在液晶显示屏上。②完成本机数据记录、存储功能：存储电池组总电压、电流、标志电池温度、各单体电池电压等项最近300个采样周期数据和30次过程电流安时数，存储最近300次报警及处理恢复过程的数据（发生时间、报警种类、超限或状态数据、上报应答、恢复时间）。存储本机各设定值（各被测数据报警上下限及缺省值、网络通讯地址号、通讯口参数、被测电池组节数等）。③完成自动状态判别和报警：在MCU内部执行一些智能算法，设定警戒门限参数，当电池充放电电压达到过压欠压、电池表面温度异常过高、停止充放电等异常状态，及时报警。④完成与图5软件系统流程图上位机联机功能：控制一路隔离RS485串口，与上位机进行通信，主动向上位机发送全部数据，接收并执行上位机的远程控制和参数设定命令。⑤完成自检和校验功能；执行本机自检、通讯自检、A／D测量校正功能。控制看门狗复位电路，程序跑飞的情况下，系统能自动复位。

4、小结

本电池组监测仪采用了单一片独立现场就地监测电池组内各单体电池健康状况，利用LTC681l作为核心器件，充分利用其ADC采集功能，其外围电路简单，简化了系统的结构，有效地降低了产品成本。避免了传统的方法电路存在的采集精度差和电路结构复杂的问题。从而提高了电池组参数的抗干扰测量精度，并使监测过程变得精确安全可靠。在通讯基站电池组管理系统实际工程应用中取得良好的效果。

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