CN103728568B - 一种锂电池单体电压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂电池检测技术领域，具体涉及一种锂电池单体电压检测方法。它包括单片机和两个菊花链，所述单片机与两组菊花链之间分别通过SPI总线连接，所述两个菊花链分别包括多片级联的锂电池管理芯片LTC6803，所述每片锂电池管理芯片LTC6803均串联有多节锂电池。本发明采用锂电池管理芯片LTC6803检测锂电池单体电压，检测结果准确、精度高，检测装置集成度更高，容易扩展，研发周期短，电路简单可靠，体积小，性能优越，非常适合于车载锂电池管理系统。

Description

一种锂电池单体电压检测方法

技术领域

本发明属于锂电池检测技术领域，具体涉及一种锂电池单体电压检测方法。

背景技术

随着纯电动车及混合动力车的发展，作为重要储能设备的串联电池组是影响整车性能的一个关键因素。延长电池寿命，提高电池的使用效率是电动汽车商品化、实用化的关键。由于水桶效应的存在，串联电池组的整体性能取决于电池组中性能最差的单体电池，为了能够对串联电池组的能量使用进行有效管理，需要实时监视串联电池组中的单体电池状态。在表征电池状态的参数中，电池的端电压最能体现其工作状态，因此精确采集电池组中各个单体电池的电压十分重要。

当前的锂电池单体电压采集方法最常用的是飞电容方案，该方案的关键器件为电容和继电器，电动汽车的电压等级较高，串联的锂电池单体数目少则40个，多则100多个。基于这种方案，如果采样电路不分组，所用芯片数量最少，即便不考虑价格因素，也难以选到满足要求的通用的固态继电器；若对锂电池单体进行分组，虽然电路能够模块化，但是功能单一、体积庞大，不符合车载控制器重量轻、体积小的特点。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种简单可靠、性能优越的锂电池单体电压检测方法。

本发明采用的技术方案是：一种锂电池单体电压检测方法，包括以下步骤：

(1)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测多节锂电池，多片锂电池管 理芯片LTC6803之间级联后与单片机串联；

(2)、对每片锂电池管理芯片LTC6803分别自检，若有一片锂电池管理芯片LTC6803不正常则报警硬关断，否则继续；

(3)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测并采集与其连接的所有锂电池的单体电压，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803；

(4)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测并采集其内部温度，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803；

(5)、单片机读取锂电池管理芯片LTC6803中采集的所有锂电池的单体电压，并判断单体电压是否正常更新，若是则继续，否则返回步骤(2)；

(6)、单片机读取每片锂电池管理芯片LTC6803的内部温度，并判断内部温度是否＞85℃，若是则硬关断，否则返回步骤(3)。

进一步地，所述步骤(1)中单片机上串联有两个菊花链，两个菊花链之间通过开关连接，所述两个菊花链分别包括多片级联的锂电池管理芯片LTC6803。

进一步地，所述步骤(3)中锂电池管理芯片LTC6803每40-60毫秒采集一次单体电压，每次采集的时间为10-15毫秒。

进一步地，所述步骤(4)中锂电池管理芯片LTC6803每隔1-1.5秒采集一次内部温度，每次采集的时间为3-5毫秒。

更进一步地，所述步骤(5)中单片机判断单体电压是否正常更新的方法为：将所有锂电池的单体电压相加得到总电压，判断总电压是否与上一次的总电压相等，若不等，说明单体电压是正常更新；若总电压相等，则判断当前电流是否为0，若电流为0则表示总电压维持不变是正常的，即说明单体电压是正常更新；若电流不为0，则返回步骤(3)，并记录返回次数，当返回次数大于20时，再返回步骤(2)。

在车载环境下，判断单体电压是否正常更新即是判断每次检测的单体电压是否与上一次检测的电压相等，从而确定每次检测的单体电压是否是正确的电压。上述的当前电流为电池包的工作电流，电流为0说明锂电池没有充放电、不为0说明锂电池正在充放电。当锂电池充放电时，当前锂电池管理芯片LTC6803内部检测到的单体电压数据若保持不变，就需要重 新检测。

判断检测的总电压是否与上一次的总电压相等，不相等说明检测的是当前锂电池充放电时的电压，即检测的是正确的电压，可直接继续后面步骤；相等说明检测的单体电压可能为当前锂电池没有充放电时的电压，也可能当前锂电池正在充放电，采集到的为上一次的单体电压，这时就需要再次判断。

而判断总电压相等时锂电池是否充放电，需要通过检测锂电池包内部的电流，通过判断电流是否为0来确定锂电池是否在充放电。若电流为0则表示检测的是锂电池没有充放电时的电压，即总电压维持不变是正常的；若电流不为0，则说明当前锂电池正在充放电，检测的结果不准确，返回重新检测。当返回重新检测的次数大于20次，即连续20次检测锂电池都处于充放电状态时，说明锂电池管理芯片LTC6803已溢出，需要调用初始化模块，对锂电池管理芯片LTC6803重新自检。

一种锂电池单体电压检测装置，其主要系统包括单片机和两个菊花链，单片机为最小系统，所述单片机与两组菊花链之间分别通过SPI总线连接，所述两个菊花链分别包括多片级联的锂电池管理芯片LTC6803，所述每片锂电池管理芯片LTC6803均串联有多节锂电池。

进一步地，所述每个菊花链包含的锂电池管理芯片LTC6803的数量为1-5片，所述每片锂电池管理芯片LTC6803上串联锂电池的数量为1-12节。

本发明采用锂电池管理芯片LTC6803进行检测，一次检测锂电池数量多，检测装置集成度更高，容易扩展，研发周期短，电路简单可靠，体积小，性能优越，非常适合于车载锂电池管理系统。

本发明的检测方法在检测时首先对检测芯片进行自检，在检测过程中循环检测芯片温度及锂电池的更新电压，检测精度高。与现有技术相比，该方法检测结果准确、精度高，而且抗干扰能力较强，系统稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图。

图2为本发明检测锂电池单体电压的流程图。

图3为本发明锂电池管理芯片LTC6803自检流程图。

图4为本发明读单体电压的流程图。

图5为本发明读1-4个单体电压寄存器的流程图。

图6为本发明判断单体电压正常更新的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明的检测装置的主要系统包括单片机和两个菊花链，单片机为最小系统，所述单片机与两个菊花链之间分别通过SPI总线连接，所述两个菊花链分别包括多片级联的锂电池管理芯片LTC6803，所述每片锂电池管理芯片LTC6803均串联有多节锂电池。所述每个菊花链包含的锂电池管理芯片LTC6803的数量为1-5片，所述每片锂电池管理芯片LTC6803上串联锂电池的数量为1-12节，即锂电池管理芯片LTC6803最多能支持5片级联，所以，在实际应用中，如果正好是120节锂电池，要求维修开关位于第60节和第61节之间，换句话说，在一个菊花链里，锂电池管理芯片LTC6803测量的锂电池目不能超过60个。芯片级联的方向由电池模块的串联顺序决定，在一个菊花链中，采集最高模块电压的芯片位于菊花链的顶端。该装置中，单片机通过SPI总线从锂电池管理芯片LTC6803读取单体电压并排序，当单体电压差超过阈值时，发送均衡命令，通过锂电池管理芯片LTC6803进行被动均衡。

图2为采用上述装置检测锂电池单体电压的流程图，具体过程为：

1)系统初始化，开全局中断。

2)两个菊花链的所有锂电池管理芯片LTC6803分别自检，若有一片不正常，向上位机报警，等待检修，并将该菊花链硬关断，即该串级联的锂电池管理芯片LTC6803都下电。

3)对自检正常的菊花链，每个单体采样周期T1到时，启动单体电压转换，即每片锂电池管理芯片LTC6803隔一定时间T1检测并采集一次与其 连接的所有锂电池的单体电压，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803，T1一般为40-60毫秒，每次采集的时间T3为10-15毫秒。同时每个温度采样周期T2到时，启动6803的内部温度转换，即每片锂电池管理芯片LTC6803隔一定时间T2检测并采集一次其内部温度，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803，由于温度变化较为缓慢，T2一般为1-1.5秒，每次采集的时间T4为3-5毫秒。因为当锂电池管理芯片LTC6803的内部温度<85℃，测量单体电压的精度才能得以保证，所以测量当前的内部温度是非常必要的。

4)每个菊花链单体转换完成后，读该链的单体电压，读到所有单体电压后，判断单体电压是否正常更新，若是正常更新，则继续判断锂电池管理芯片LTC6803的温度，否则返回重新对锂电池管理芯片LTC6803进行自检。

5)每个菊花链内部温度转换完成后，读该链的温度，判断是否有一片锂电池管理芯片LTC6803的温度大于85℃，若有则向上位机报警，停止被动均衡，加强热管理，对该链硬关断，防止芯片的测量精度降低，也提高了装置的热稳定性和可靠性；否则返回重新检测单体电压。

图3为锂电池管理芯片LTC6803自检的流程图，包括ADC自检、参考电压和多路复用器自检两部分。流程如下：

1)如果某菊花链锂电池管理芯片LTC6803初始化成功，发送AD自检命令和校验码，否则硬关断，并向上位机报警，等待检修。

2)等待AD自检完成，从单体电压寄存器读AD自检结果，如果所有单体电压数据都等于0X555，则AD自检正常，否则锂电池管理芯片LTC6803自检失败，硬关断该菊花链，向上位机报警，等待检修。

3)如果某菊花链的AD自检正常，发送诊断和查询命令。等待参考电压转换完成，从诊断寄存器读取参考电压转换结果和多路复用器自检结果。若参考电压在2.1V-2.9V之间，且多路复用器自检正常，则锂电池管理芯片LTC6803自检正常。否则自检失败，硬关断该菊花链，向上位机报警，等待检修。

图4为读单体电压的流程图，该流程严格按照锂电池管理芯片LTC6803的网络层通讯协议以及SPI总线的时序执行。读单体电压可以一次读出一个菊花链的所有电压，如图1所示的装置，意味着每次读取60个单体电压，数据量很大，在强干扰环境中，很容易受到干扰，数据不能正常传输。因此，本发明将单体电压分3次读出，读ADC自检结果和读内部温度的流程与本流程类似。流程包括：

1)在一个菊花链中，读出每片锂电池管理芯片LTC6803的第1个-第4个单体电压寄存器和校验码。

2)读出该链中每片锂电池管理芯片LTC6803的第5个-第8个单体电压寄存器和校验码。

3)读出该链链中每片锂电池管理芯片LTC6803的第9个-第12个单体电压寄存器和校验码。

4)分别计算上述每组单体电压寄存器的校验码，并将计算值与接收值比较，若有一组不相等，则报校验错误，放弃此次读出的全部单体电压数据，程序退出。

5)若每组的校验码均相等，则此次数据有效，将单体电压寄存器组合成单体电压数据量，并计算单体电压模拟量。

图5为在一个菊花链中，读出每片锂电池管理芯片LTC6803的第1个-第4个单体电压寄存器的流程图。该流程要严格按照锂电池管理芯片LTC6803的网络层通讯协议以及SPI总线的时序执行。读第5个-第8个单体电压寄存器，读第9个-第12个单体电压寄存器以及读配置寄存器的流程和本流程类似。流程包括：

1)拉低SPI总线的片选信号；

2)发送读第1个-第4个单体电压寄存器的命令代码和校验码；

3)先接收位于菊花链底层的锂电池管理芯片LTC6803的单体电压寄存器和校验码，最后接收位于菊花链顶层的锂电池管理芯片LTC6803的单体电压寄存器和校验码。如图1所示的装置，在SPI1中，从模块1接收到模块5；在SPI0中，从模块6接收到模块10。锂电池管理芯片LTC6803的寄 存器是8bit的，每个单体电压占据1.5个寄存器。对每片锂电池管理芯片LTC6803,需要从单体电压寄存器0依次接收到寄存器6。

4)最后拉高SPI总线的片选信号。

图6为判断单体电压正常更新的流程图，每个单体采样周期T1调用一次该模块，流程包括：

1)将所有单体电压循检一遍后，将当前单体电压相加，计算电池包的总电压。

2)判断总电压是否与上一次的总电压相等，若不等，程序退出，表示单体电压正常更新了。

3)若总电压相等，则判断当前电流是否为0，若电流为0，则程序退出，表示总电压维持不变是正常的。

4)若电流不为0，则TIMES_T1自加。

5)当TIMES_T1累计大于20时，认为锂电池管理芯片LTC6803已经溢出，调用初始化模块，锂电池管理芯片LTC6803再次自检，自检正常，表明装置工作正常，继续检测，否则硬关断，并向上位机报警，等待检修。

在车载环境下，判断单体电压是否正常更新即是判断每次检测的单体电压是否与上一次检测的电压相等，从而确定每次检测的单体电压是否是正确的电压。上述的当前电流为电池包的工作电流，电流为0说明锂电池没有充放电、不为0说明锂电池正在充放电。当锂电池充放电时，当前锂电池管理芯片LTC6803内部检测到的单体电压数据若保持不变，就需要重新检测。

判断检测的总电压是否与上一次的总电压相等，不相等说明检测的是当前锂电池充放电时的电压，即检测的是正确的电压，可直接继续后面步骤；相等说明检测的单体电压可能为当前锂电池没有充放电时的电压，也可能当前锂电池正在充放电，采集到的为上一次的单体电压，这时就需要再次判断。

而判断总电压相等时锂电池是否充放电，需要通过检测锂电池包内部的电流，通过判断电流是否为0来确定锂电池是否在充放电。若电流为0 则表示检测的是锂电池没有充放电时的电压，即总电压维持不变是正常的；若电流不为0，则说明当前锂电池正在充放电，检测的结果不准确，返回重新检测。当返回重新检测的次数大于20次，即连续20次检测锂电池都处于充放电状态时，说明锂电池管理芯片LTC6803已溢出，需要调用初始化模块，对锂电池管理芯片LTC6803重新自检。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种锂电池单体电压检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测多节锂电池，多片锂电池管理芯片LTC6803之间级联后与单片机串联；单片机上串联有两个菊花链，分别通过SPI总线连接，两个菊花链之间通过开关连接，所述两个菊花链分别包括多片级联的锂电池管理芯片LTC6803；

(2)、对每片锂电池管理芯片LTC6803分别自检，若有一片锂电池管理芯片LTC6803不正常则报警硬关断，否则继续；

(3)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测并采集与其连接的所有锂电池的单体电压，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803；

(4)、每片锂电池管理芯片LTC6803检测并采集其内部温度，采集后发送给与其级联的上一级锂电池管理芯片LTC6803；

(5)、单片机读取锂电池管理芯片LTC6803中采集的所有锂电池的单体电压，并判断单体电压是否正常更新，若是则继续，否则返回步骤(2)；

单片机判断单体电压是否正常更新的方法为：将所有锂电池的单体电压相加得到总电压，判断总电压是否与上一次的总电压相等，若不等，说明单体电压是正常更新；若总电压相等，则判断当前电流是否为0，若电流为0则表示总电压维持不变是正常的，即说明单体电压是正常更新；若电流不为0，则返回步骤(3)，并记录返回次数，当返回次数大于20时，再返回步骤(2)；

(6)、单片机读取每片锂电池管理芯片LTC6803的内部温度，并判断内部温度是否＞85℃，若是则硬关断，否则返回步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的锂电池单体电压检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中锂电池管理芯片LTC6803每40-60毫秒采集一次单体电压，每次采集的时间为10-15毫秒。

3.根据权利要求1所述的锂电池单体电压检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中锂电池管理芯片LTC6803每隔1-1.5秒采集一次内部温度，每次采集的时间为3-5毫秒。