基于IsoSPI的鋰離子電池管理系統(tǒng)研究*

摘要：單體鋰離子電池具有個體差異，如果對這些差異不加與控制，在循環(huán)工作過程中，將會加大這種差異，從而不能充分發(fā)揮鋰離子電池效率。本文設計了鋰離子電池管理系統(tǒng)，能夠對多節(jié)鋰離子電池電壓進行采樣并均衡，采用IsoSPI數(shù)據(jù)鏈路，把采樣與均衡單元做成模塊化，成本低，易于擴展，同時采用大電流均衡，使電池電壓均衡速率快。

關鍵詞：鋰離子電池；電池管理系統(tǒng)；IsoSPI數(shù)據(jù)鏈路；大電流均衡

*基金項目：江西省教育廳科技項目，項目編號：GJJ209302

1 前言

經(jīng)濟的飛速發(fā)展，同時帶來了能源短缺、空氣和水量下降、氣候變暖等一系列問題，發(fā)展新型能源將變得尤為重要。在新能源行業(yè)中，鋰離子電池的使用率越來越高，單體鋰離子電池電壓及容量較低，在工作中都是把多節(jié)鋰離子電池串并聯(lián)起來使用。由于單體鋰離子電池制造過程中性能的不一致，以及使用過程中電池包內部環(huán)境的非均勻性等原因，隨著使用時間及循環(huán)次數(shù)的增加，單體鋰離子電池之間的性能差異將逐漸拉大 ^[1]。若不采取措施將造成某些單體電池過充電，某些單體電池過放電，過充和過放不僅影響電池壽命，損壞電池，而且還可能產(chǎn)生大量的熱量造成電池性能急劇下降，同時增加安全隱患，因此采取電池能量均衡技術來補償電池性能的差異是非常有必要的 ^[2]。鋰離子電池越來越多地被應用于大功率設備上，同時對鋰離子電池管理系統(tǒng)的要求也越來越高，鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能也越來越強大^[3]。本文設計了鋰離子電池管理系統(tǒng)，能夠對多節(jié)鋰離子電池電壓進行采樣并均衡，采用 IsoSPI（隔離式串行外設接口）數(shù)據(jù)鏈路，把采樣與均衡單元做成模塊化，成本低、速率快、易于擴展；采用大電流均衡設計，使各單體鋰離子電池電壓均衡速率快。

2 鋰離子電池電壓采樣

2.1 鋰離子電池電壓采樣電路設計

目前常采用模擬前端電池監(jiān)測芯片對電池電壓進行采樣，電壓采樣完之后電池監(jiān)測芯片通過板上總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，當有多節(jié)電池串并聯(lián)使用時，將需要多個微處理器通過 CAN 總線進行數(shù)據(jù)匯總。對于電池包中含有多節(jié)單體電池時，需要多個電池監(jiān)測從板對單體電池電壓進行數(shù)據(jù)采樣，每個電池監(jiān)測從板都有一個微處理器，增加使用成本。

本文設計了一種基于 IsoSPI 數(shù)據(jù)鏈路模擬前端電池電壓采樣電路，每個電池監(jiān)測從板通過 IsoSPI 數(shù)據(jù)鏈路，再將數(shù)據(jù)匯總到終端一個微處理器單元，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕蓴U展性強，同時減少每個電池監(jiān)測從板上微處理器個數(shù)，降低使用成本。圖 1 為模擬前端電池檢測芯片電壓采樣電路圖。主要包括模擬前端電壓監(jiān)測芯片 LTC6811，LTC6811 最多可測量 12 節(jié)單體電池電壓，總測量誤差小于 1.2 mV，單體電池電壓測量范圍 0-5 V ^[4]。電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 的引腳 C0-C12 分別 連接串聯(lián)的各單體電池正極，中間加入 100 Ω 的電阻起 限流保護作用。A0-A3 引腳為地址標定端，可用于多個 LTC6811 芯片級聯(lián)時進行地址分配，由于本文采用的是模塊化設計，每個電池電壓監(jiān)測芯片構成一個模塊，在此把 A0-A3 都接在電池負端。ISOMD 為串行接口模式選擇端，把 ISOMD 引腳接在 VREG 端將選擇 IsoSPI 數(shù)據(jù)傳輸模式，連接在 V- 端將選擇四線式 SPI 傳輸模 式，本文選擇的是隔離式串行外設接口 IsoSPI 數(shù)據(jù)傳輸模式，因此將 ISOMD 引腳接在 VREG 端。IP、IM 為 IsoSPI 數(shù)據(jù)鏈路接口，是一對差分輸入 / 輸出接口，各個電池監(jiān)測從板通過這兩個接口進行數(shù)據(jù)交互，提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，增強數(shù)據(jù)傳輸過程種抗干擾能力。

圖 2 為隔離式串行外設接口 IsoSPI 數(shù)據(jù)鏈路部分電路圖。主要包括 LTC6820 SPI 隔離器，LTC6820 通過單個雙絞線連接在兩個隔離器件之間提供雙向 SPI 通信，每個 LTC6820 隔離器將邏輯狀態(tài)編碼為信號，并跨越一個隔離勢壘將信號傳送至另一個 LTC6820 隔離器。微處理器端數(shù)據(jù)傳輸總線為四線制 SPI，四線制 SPI 通過 LTC6820 隔離器分成兩線制 IsoSPI， IP，IM 再與電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 進行數(shù)據(jù)通信。為實現(xiàn)更好的隔離，在數(shù)據(jù)傳輸中間加入隔離變壓器 CEEH96B， CEEH96B 兩端隔離電壓達 2 500 V，在隔離變壓器兩邊加入共模濾波器濾除雜波，保證信號傳輸穩(wěn)定，同時并聯(lián) 120 Ω 電阻，實現(xiàn)阻抗匹配。

2.2 仿真與測試

圖 3 為電池監(jiān)測從板電壓采樣流程圖，首先對電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 進行初始化，配置為隔離式串行外設接口 IsoSPI 工 作模式，對 SPI 數(shù)據(jù)傳輸相關寄存器進行設置，設置 SPI 控制寄存器 1（SPIC1）為 0b01011100，使能 SPI 系統(tǒng)，SPI 模塊配置為主 SPI 器件，時鐘低有效，SPI 空閑時為高態(tài)，串行數(shù)據(jù)傳 始于最高位，設置 SPI 控制寄存器 2（SPIC2）為 0b00000000，在等待模式中 SPI 時鐘繼續(xù)運行，SPI 為數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出使用獨立管腳，設置 SPI 波特率寄存器（SPIBR）為 0b00000010，預分頻系數(shù)為 1，速率系數(shù)為 8，波特率為 1 Mbps。LTC6811 初始化完成后，如果在 IsoSPI 端口上持續(xù) 4.5 ms 的時間沒有動作，則串行端口將進入低功耗 IDLE 狀態(tài)，需要接收一個大信號單端脈沖或一個低幅度對稱脈沖才能喚醒接口，以確保所有的器件均處于 READY 狀態(tài)，在此通過 SPI 發(fā)送一個虛字節(jié)喚醒串行接口。接著寫相應配置寄存器（WRCFG），設置 LTC6811 命令方式，其中有兩種方式，一種是廣播命令，一種是地址命令。本設計采用的是廣播命令，LTC6811 芯片接收廣播命令的字節(jié)。寫配置寄存器完成后啟動電池電壓 ADC 轉換，采用輪詢方式。在一個器件堆棧中啟動 ADC 轉換將發(fā)送一個 ADCV 命 令，所有的器件將同時啟動轉換操作，對于讀和寫命令，發(fā)送單個命令，然后堆棧器件實際上變成了一個級聯(lián)式移位寄存器，其中的數(shù)據(jù)通過每個器件移至堆棧中的下一個器件。在以隔離式串行外設接口 IsoSPI 模式進行通信的并行配置中，低側端口僅對其所接收的一個主控口 IsoSPI 脈沖做出響應，也就是傳輸一個數(shù)據(jù)脈沖。因此，在采用輪詢方式輸入命令之后，IsoSPI 數(shù)據(jù)脈沖將被發(fā)送至器件以更新轉換狀態(tài)，這些脈沖可采用 LTC6820 來發(fā)送。針對此脈沖，LTC6811 做出的響應是當其總線在忙于執(zhí)行轉換操作時將回送一個 IsoSPI 脈沖，當其總線已完成轉換操作時則不回送脈沖，如果在一個 CSB 高電平狀態(tài)有 IsoSPI 脈沖發(fā)送至 LTC6811，則其將退出輪詢命令。最后讀取相應的電池寄存器組，獲得各單體電池電壓。

圖 4 為寫配置寄存器通過邏輯分析儀測試得到的數(shù)據(jù)，先把 CSB 拉至低電平，再發(fā)送 WRCFG 命令（0x00 0x01）及其 PEC（0x3D 0x6E），發(fā)送完命令之后再把 CSB 拉至高電平，數(shù)據(jù)在 CSB 的上升沿上被鎖定至所有的器件中。

圖5 為啟動電池電壓 ADC 轉換通過邏輯分析儀測試得到的數(shù)據(jù)，先把 CSB 拉至低電平，再發(fā)送 ADCV 命令（0x03 0x70）及其 PEC（0xAF 0x42）。發(fā)送完命令之后再把 CSB 拉至高電平。

圖 6 為讀電池寄存器組通過邏輯分析儀測試得到的數(shù)據(jù)，先把 CSB 拉至低電平，再發(fā)送 RDCVA 命令（0x80 0x04）及其 PEC（0x77 0xD6）。發(fā)送完命令之后再把 CSB 拉至高電平。

通過發(fā)送相應指令后，測試采集 12 節(jié)單體鋰離子電池電壓和實際電池電壓如下表 1。采集值與實際值誤差在 1 mV 以內，結果表明 LTC6811 可以實現(xiàn)單體電池電壓的精確采集。

3 鋰離子電池電壓均衡

由于鋰離子電池都是成組后使用的，在多次充放電之后，鋰離子電池的差異將會越來越明顯，所以對鋰離子電池電壓進行均衡控制將很有必要。

3.1 鋰離子電池電壓均衡電路設計

目前常用的鋰離子電池電壓均衡方案是通過開關在每個單體鋰離子電池兩端并聯(lián)一個電阻，當各單體鋰離子電池電壓相差較大時，閉合開關，使電壓較高的單體鋰離子電池進行放電，現(xiàn)常用的均衡電流為 100 mA 左右，當各單體鋰離子電池壓差較大時，均衡速率慢，甚至不產(chǎn)生均衡效果^[5]。本文設計了一種大電流均衡電路，如圖 7 所示為部分電池均衡電路，BC0-BC3 為三節(jié)串聯(lián)鋰離子電池單體的四個出線端，S1-S3 通過接插件連接到電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 對應引腳端，電壓采樣端 采集完各單體電池電壓之后，判斷出各個單體電池之間壓差，當各單體電池壓差大于預設值（20 mV）時，啟動均衡，控制相應的電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 的 S1-S3 引腳觸發(fā)，PMOS 場效應管柵極源極之間形成壓差，場效應管 Q1-Q3 相應導通，通過兩個 6.2 R 并聯(lián)電阻進行大電流均衡，均衡電流在 1 A 左右，均衡速率快，同時把均衡模塊做成一個獨立結構，易于更換維護，節(jié)省成本。

3.2 測試

取兩節(jié)有壓差的單體鋰離子電池為例，電壓差大于預設值（20 mV），將對高電壓單體電池啟動大電流均衡，測試得到各時間段內兩節(jié)單體電池電壓值如表 2 所示。 經(jīng)過 120 分鐘電流均衡后，兩節(jié)單體電池電壓差低于預設值（20 mV），關閉均衡模塊，完成了兩節(jié)有壓差的單體鋰離子電池電壓的均衡。

4 結語

本文設計的基于隔離式串行外設接口 IsoSPI 的鋰離子電池管理系統(tǒng)能夠對鋰離子電池進行電壓采樣同時能夠對電池組內單體電池電壓不一致的電池進行大電流均衡，從而提高鋰離子電池使用壽命及效率。鋰離子電池的電壓采樣采用的是 IsoSPI 數(shù)據(jù)鏈路，可靠性高，穩(wěn)定好，可擴展到多節(jié)單體電池電壓采樣，鋰離子電池的電壓均衡使用的是大電流均衡設計，均衡速率快，采樣及均衡做成模塊化，降低了使用成本，增加了利用率，便于維護，為新能源行業(yè)的發(fā)展提供了促進作用。

參考文獻：

[1] 朱信龍,王均毅,潘加爽,等.集裝箱儲能系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].儲能科學與技術,2022,11(01):107-118.

[2] 孫振宇,王震坡,劉鵬,等.新能源汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷研究綜述[J].機械工程學報,2021,57(14):87-104.

[3] 安志勝,孫志毅,何秋生.車用鋰離子電池管理系統(tǒng)綜述[J].電源技術,2013,37(6):1069-1071.

[4] 翟二寧,滑娟,崔曉宇,等.動力電池組主動均衡系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電源技術,2020,44(2):249-252.

[5] 戴海峰,王楠,魏學哲,等.車用動力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J].汽車工程,2014,36(2):181-188.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)