基于LTC6811通讯基站电池组在线监测仪的设计

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命令是一种可以用于进行测量得到以下企业内部控制器件结构参数的命令：所有这些电池的总~n（soc）、内部管理芯片工作温度（ITMP）、仿真系统电源fvA）和数字电源（VD）。所有电池技术测量研究结果的总和是C12和C0之间的电压f具有重要一个20：1的衰减）。电池通过测量分析结果总和的l6位ADC测量值（soc）存储在状态寄存器组A当中。利用SOC值，可由下式得出我们所有电池输出电压测量实验结果之和：

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系列以及传感器，适用于进行测量控制直流、交流和脉冲信号电流，主要技术应用于大功率、低电压的蓄电池监测，广泛地应用于测量大的电池工作电流。原边电路（大功率）和副边电路（电子系统电路）之间可以采用不同电气安全隔离制度设计，提供了一种非接触式的低功耗解决问题方案。传感器的输出能真实情况反映通电导体的真实数据波形。

输出LEMDHAB为电压数据，二次侧电压为2V，通过LTC6811辅助ADC输入(GPIO引脚)输出电压，如图3所示，可以产生与所提供的VCC成正比的两个输出，并产生与GPIO引脚的连接。

2.3.2温度采集电路

电池单体通过节点工作温度是组态数据信息中的重要技术参数，温度传感器采集模块电路结构如图4所示。设计中选取负温度系数（NTC）热敏电阻可以作为企业外部环境温度以及传感探头，将温度变化信号转换为输出电压产生信号。LTC681l一1的VREF2引脚专为不同温度影响检测方法所需的电流而设计，ADC测量以VREF2引脚电压标称值3V为基准，用于创新驱动发展多个10kn热敏电阻NTC，提供偏置所需的电流，偏置电阻器的选择理论依据是与NTC值相对应，选用精度为l％的10kn的电阻我们作为偏置电阻。这样该电路分析将在25。C时提供1．5V电压。ADAX命令主要用于项目启动GPIO输入的测量，选择要测量的GPIO输入及ADC模式的选项。所有的辅助学生测量均相同时对于V一引脚电压。采用建立一个公司外部0．1IxF的电容器方面进行交流旁路，滤除高频干扰，提高产品采样时间精度。

3、软件控制系统

该系统管理软件工程设计应用程序工作流程图分析如图5所示，主要可以完成STM32F103通过SH口通信对LTC6811发送命令实现代码。①启动电压转换读电压、读电流和读温度以及信息等各项技术自动根据测量方法操作：如欲在测量发展模式中启动电池输出电压测量，则发送自己一个国家启动A／D转换命令，MCU将接收到的数据环境信息研究显示在液晶显示屏上。②完成本机数据需要记录、存储服务功能：存储电池组总电压、电流、标志电池不同温度、各单体电池电压等项最近300个采样周期成本数据和30次过程产生电流安时数，存储学生最近300次报警及处理能力恢复生产过程的数据（发生一定时间、报警产品种类、超限或状态空间数据、上报应答、恢复活动时间）。存储本机各设定值（各被测数据中心报警上下限及缺省值、网络教学通讯公司地址号、通讯口参数、被测电池组节数等）。③完成情况自动学习状态判别和报警：在MCU内部制度执行存在一些人工智能优化算法，设定警戒门限模型参数，当电池充放电电压达到过压欠压、电池结构表面反应温度变化异常过高、停止充放电等异常心理状态，及时发现报警。④完成与图5软件开发系统业务流程图上位机联机功能：控制我们一路隔离RS485串口，与上位机进行有效通信，主动向上位机发送全部历史数据，接收并执行上位机的远程教育控制和参数指标设定命令。⑤完成自检和校验功能；执行本机自检、通讯自检、A／D测量校正社会功能。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

该电池监视器使用单个场在所述电池组的每个电池的健康的独立状态的原位监测使用LTC681l芯装置和利用它的ADC采集功能的，外围电路简单，为了简化系统的结构，有效地减少产品成本。它避免了精度差和采集电路的电路的传统结构复杂的问题。从而提高了电池参数的干扰测量精度，准确和可靠的监测过程变得。为了实现在通信基站电池管理系统实际工程应用的好成绩。

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