針對LTC6811 電壓采集誤差的補償策略

魏朋飛

（南京理工大學 自動化學院，江蘇南京 210000）

隨著人類對環境保護以及可持續發展的逐漸重視，新能源電動汽車近幾年得到迅速發展[1-2]。作為新能源汽車主要能量載體的鋰電池[3-4]，其技術一直是影響新能源汽車發展的主要因素[5-6]。基于對汽車運行的安全性以及鋰電池本身狀態監測的考慮[7-8]，需要對鋰電池組各單體電池的電壓進行監控，以用于后續的電池SOC（電池荷電狀態）算法[9]和均衡管理[10]。電池SOC 的估算精度[11]和電池運行狀態直接影響到汽車的安全性和運行穩定性。為保證高精度的電池SOC 估算和電池狀態監控，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計的一種集電壓采集和均衡管理的芯片[14]，作為一款專業電池管理芯片[15]，承擔著對電池信息進行采集以及均衡的任務[16]。然而根據當前實際應用情況，LTC6811 芯片的應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，縮減研發成本，但是也直接導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、靈活性和實現難度都較為優異的首尾端采集電壓誤差補償策略，在不改變現有結構的基礎上，解決了首尾端采集誤差過大問題。經實驗驗證，該方法補償精度高、靈活性強、結構簡單，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，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 采集誤差產生的原因

結合圖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阻會在流經供電電流Im時產生壓降，從而導致芯片采集線的電壓與電池端電壓相差一個線束壓降。

根據圖1，假設芯片功耗為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 補償策略的硬件設計

針對上述采集誤差產生的原因，該文采用增加補償電路的策略，通過內部軟件邏輯計算出實際線束上的阻抗以及線束上產生的壓降，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，電路硬件結構如圖2 所示。

圖2 補償策略的硬件設計

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 管高電平導通，并通過采集芯片電壓基準Ureg與附加電阻構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。

3 補償策略的軟件設計

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

根據補償要求，除每次系統上電要進入一次補償服務程序之外，若采集系統一直工作則設置程序中斷24 小時進行一次誤差補償，以保持采集誤差補償的實時性和精度。

軟件實現的原理通過如下推導進行說明。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。

誤差補償服務程序僅在系統上電后以及連續運行24 小時運行，正常采集周期設置為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，將兩種測試結果進行對比說明。實驗儀器為電壓可調式模擬電池箱、高精度萬用表。基于實際使用考慮，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，則需要使用軟件調整I1的值（根據推導）

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。根據實驗結果可知，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，則可通過調整軟件內I1的常數值使。

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。

根據采集芯片技術手冊可知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，經過推導得知式（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，依舊能使采集系統保持較好的補償精度。

4.3 實驗結果與分析

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，主要是為了避免數據的單一性而導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 實驗數據為采集線束上未串入固定電阻的實驗結果，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實驗數據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），依舊能使采集系統保持5 mV 的采集精度。

5 結論

文中設計的補償策略在分析了電壓采集系統采集誤差來源的基礎上，通過設計補償電路和補償算法，對采集誤差進行了補償。在經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。根據實驗數據分析，該補償策略可以使采集系統至少保持5 mV 的采集精度。

表3 線束上串5Ω電阻