基于IsoSPI的鋰離子電池管理系統(tǒng)研究

楊書華 張盛楠 徐涢基 梁剛福

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數據鏈路，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數據鏈路；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

經濟的飛速發(fā)展，同時帶來了能源短缺、空氣和水質量下降、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）數據鏈路，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據發(fā)送給微處理器，當有多節(jié)電池串并聯使用時，將需要多個微處理器通過CAN總線進行數據匯總。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據采樣，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數據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數據鏈路，再將數據匯總到終端一個微處理器單元，增加了數據傳輸的可靠性，可擴展性強，同時減少每個電池監(jiān)測從板上微處理器個數，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數據傳輸模式，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數據傳輸模式，因此將ISOMD引腳接在VREG端。IP、IM為IsoSPI數據鏈路接口，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據交互，提高數據傳輸穩(wěn)定性，增強數據傳輸過程種抗干擾能力。

圖2為隔離式串行外設接口IsoSPI數據鏈路部分電路圖。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。微處理器端數據傳輸總線為四線制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進行數據通信。為實現更好的隔離，在數據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120 Ω電阻，實現阻抗匹配。

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數據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)，串行數據傳輸始于最高位，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為數據輸入和數據輸出使用獨立管腳，設置SPI波特率寄存器（SPIBR）為0b00000010，預分頻系數為1，速率系數為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式移位寄存器，其中的數據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，也就是傳輸一個數據脈沖。因此，在采用輪詢方式輸入命令之后，IsoSPI數據脈沖將被發(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據，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，數據在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據，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據，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數據鏈路，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[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.