魏朋飛

（南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇南京 210000）

隨著人類對環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展的逐漸重視，新能源電動汽車近幾年得到迅速發(fā)展[1-2]。作為新能源汽車主要能量載體的鋰電池[3-4]，其技術(shù)一直是影響新能源汽車發(fā)展的主要因素[5-6]?；趯ζ囘\行的安全性以及鋰電池本身狀態(tài)監(jiān)測的考慮[7-8]，需要對鋰電池組各單體電池的電壓進行監(jiān)控，以用于后續(xù)的電池SOC（電池荷電狀態(tài)）算法[9]和均衡管理[10]。電池SOC 的估算精度[11]和電池運行狀態(tài)直接影響到汽車的安全性和運行穩(wěn)定性。為保證高精度的電池SOC 估算和電池狀態(tài)監(jiān)控，就必須保證單體電池電壓的采集精度滿足一定要求[12-13]。

LTC6811 為凌特公司為新能源汽車專門設(shè)計的一種集電壓采集和均衡管理的芯片[14]，作為一款專業(yè)電池管理芯片[15]，承擔著對電池信息進行采集以及均衡的任務(wù)[16]。然而根據(jù)當前實際應(yīng)用情況，LTC6811 芯片的應(yīng)用存在供電線與采集線并用的情況，這種方法雖然能夠減少汽車蓄電池的能耗，縮減研發(fā)成本，但是也直接導(dǎo)致了電池采集首尾端的電壓誤差較大的問題，從而嚴重影響了后續(xù)的SOC 估算和對電池的均衡判斷，降低了汽車的安全性和電池的使用壽命。

針對上述問題，文中提出了一種補償精度、靈活性和實現(xiàn)難度都較為優(yōu)異的首尾端采集電壓誤差補償策略，在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，解決了首尾端采集誤差過大問題。經(jīng)實驗驗證，該方法補償精度高、靈活性強、結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的工程實用價值。

1 誤差原因分析

LTC6811 采集芯片首尾端電壓采集誤差較大的問題，主要是LTC6811首尾端采集線既做芯片供電線也做電壓采集線造成的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 采集誤差產(chǎn)生的原因

結(jié)合圖1 可知，在給采集芯片供電時，由于采集線束上的阻抗以及電池內(nèi)阻會在流經(jīng)供電電流Im時產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致芯片采集線的電壓與電池端電壓相差一個線束壓降。

根據(jù)圖1，假設(shè)芯片功耗為I1，則：

式中：U1、U3為首尾端電池真實值；U2、U4為芯片內(nèi)AD 采集到的值；Rx、Ry為線束阻抗。因此，I1Rx與I1Ry即為電壓采集誤差，這便是造成采集誤差較大的原因。

2 補償策略的硬件設(shè)計

針對上述采集誤差產(chǎn)生的原因，該文采用增加補償電路的策略，通過內(nèi)部軟件邏輯計算出實際線束上的阻抗以及線束上產(chǎn)生的壓降，并用此壓降來補償芯片采集到的電壓。

該文所提出的補償策略，硬件設(shè)計上為在LTC6811 的Ureg口與地之間串接電阻以增加負載，并用MOS 管進行軟件邏輯控制。軟件邏輯由主控MCU 提供，并通過SPI 通訊到達采集芯片，電路硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 補償策略的硬件設(shè)計

補償電路中主控MCU 通過SPI 通信控制采集芯片的GPIO5 引腳，控制MOS 管高電平導(dǎo)通，并通過采集芯片電壓基準Ureg與附加電阻構(gòu)成放電回路增加芯片功率。

已知LTC6811 在正常工作時，總需供電電流為：0.95 mA+15 mA+2.2 mA+3*0.6 mA≈20 mA。若人為增加負載，則線束上的壓降會等比例提升，從而可以通過固定算法計算出線束上的阻抗值。已知Ureg電平為5 V，若想增加5 mA 負載，則可以選擇1 kΩ的電阻進行串聯(lián)。

3 補償策略的軟件設(shè)計

電壓采集誤差補償服務(wù)子程序流程圖如圖3 所示。系統(tǒng)上電后，初始化系統(tǒng)主程序，接著進入采集誤差補償服務(wù)子程序，根據(jù)邏輯完成采集線束上電阻壓降的計算，并保留結(jié)果作為后續(xù)電壓采集的補償常數(shù)。

根據(jù)補償要求，除每次系統(tǒng)上電要進入一次補償服務(wù)程序之外，若采集系統(tǒng)一直工作則設(shè)置程序中斷24 小時進行一次誤差補償，以保持采集誤差補償?shù)膶崟r性和精度。

軟件實現(xiàn)的原理通過如下推導(dǎo)進行說明。未開啟附加負載時的采集情況為：

式中：U1、U3為首尾端電池單體實際電壓；U2、U4為首尾端電池單體AD 采集電壓；I1為采集芯片功耗。

開啟附加負載時的采集情況為：

式中：U1、U3為首尾端電池單體實際電壓；為首尾端電池單體AD 采集電壓；I1為采集芯片正常工作時的額定功耗為20 mA；I2為附加功耗，本策略中取值5 mA。

誤差補償服務(wù)程序僅在系統(tǒng)上電后以及連續(xù)運行24 小時運行，正常采集周期設(shè)置為20 ms。

圖3 補償策略的軟件流程圖

4 實 驗

該文所做實驗為對照性實驗，分別測試無補償電路和有補償電路的采集誤差，將兩種測試結(jié)果進行對比說明。實驗儀器為電壓可調(diào)式模擬電池箱、高精度萬用表?；趯嶋H使用考慮，制作阻抗可變式采集線束，用來模擬不同工況的線束阻抗變化，并在實驗中調(diào)整阻抗值以驗證補償策略的實時性和靈活性。

4.1 補償策略精度校驗

理論計算的芯片功耗并不等于實際功耗，因此在進行對比實驗之前需要先進行校準，驗證實際功耗。如果理論功耗I1與實際功耗相差過大，則需要使用軟件調(diào)整I1的值（根據(jù)推導(dǎo)）

表1 補償精度校驗

理論芯片正常工作時的功耗為20 mA，增加負載5 mA，比值為0.25。根據(jù)實驗結(jié)果可知，總正、總負端比值均接近0.25，說明實際功耗接近理論功耗，不需要校準。若比值偏差較大，則可通過調(diào)整軟件內(nèi)I1的常數(shù)值使。

4.2 補償誤差評估

該文所述的誤差補償策略的補償精度取決于參考電壓Ureg以及UGPIO（輸出低電平電壓）的精度。

根據(jù)采集芯片技術(shù)手冊可知Ureg波動范圍為4.5～5.3 V（典型值取4.9 V），UGPIO輸出低電平電壓范圍為0～0.04 V。式中：Rf為附加電阻值；I2為實際附加負載；I2理論值為理論附加負載。

假設(shè)I2為固定值，則實際補償電壓為：

因為實際補償電壓與理論所需的補償電壓不同，經(jīng)過推導(dǎo)得知式（4）中的實際補償誤差即為:

當I1為20 mA，I2為5 mA，線束電阻為2 Ω時，U補償誤差值范圍為-3.45～2.55 mV。

當I1為20 mA，I2為5 mA，線束電阻為3 Ω時，U補償誤差值范圍為-5.17～3.82 mV。

以上理論計算屬于采集芯片處于極端情況下的補償誤差評估，計算結(jié)果顯示該補償策略在某些極端工作情況如高溫、低溫以及線束老化下，依舊能使采集系統(tǒng)保持較好的補償精度。

4.3 實驗結(jié)果與分析

該文主要采用兩組不同電壓的電池（C1、C2）和兩種不同阻抗的線束進行對比實驗。采用不同的電池，主要是為了避免數(shù)據(jù)的單一性而導(dǎo)致的實驗片面性問題。由測試得知，實驗中的兩組磷酸鐵鋰電池首節(jié)電池電壓分別為3 991 mV 與2 994 mV。

同時，考慮了采集線束阻抗對采集誤差的影響，在實驗當中采用了兩套不同阻抗值的采集線束來進行對比實驗。表2 實驗數(shù)據(jù)為采集線束上未串入固定電阻的實驗結(jié)果，分別采集兩種電壓的電池，并且每種電壓采集4 次。

表2 線束上未串電阻

表3實驗數(shù)據(jù)為采集線束上串入固定阻值為5 Ω的情況，目的是模仿實際工況下某些極端條件導(dǎo)致的線束阻抗較大的問題。實驗同樣是分別采集兩組不同電壓的電池組，并且每種電壓采集4 次。

實驗結(jié)果表明，補償策略在某些特殊工作條件下（線束阻抗失常），依舊能使采集系統(tǒng)保持5 mV 的采集精度。

5 結(jié)論

文中設(shè)計的補償策略在分析了電壓采集系統(tǒng)采集誤差來源的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計補償電路和補償算法，對采集誤差進行了補償。在經(jīng)過理論計算以及實驗驗證之后，表明該補償策略可適用于不同阻抗值的線束，在補償策略確定之后即使更換不同的采集線束依舊能保持良好的采集精度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，該補償策略可以使采集系統(tǒng)至少保持5 mV 的采集精度。

表3 線束上串5Ω電阻