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(shè)計了鋰離子電池管理系統(tǒng)，能夠?qū)Χ喙?jié)鋰離子電池電壓進(jìn)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(kuò)展，同時采用大電流均衡，使電池電壓均衡速率快。

關(guān)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(jì)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(nèi)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(shù)來補(bǔ)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(yīng)用于大功率設(shè)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(qiáng)大^[3]。本文設(shè)計了鋰離子電池管理系統(tǒng)，能夠?qū)Χ喙?jié)鋰離子電池電壓進(jìn)行采樣并均衡，采用 IsoSPI（隔離式串行外設(shè)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(kuò)展；采用大電流均衡設(shè)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(shè)計

目前常采用模擬前端電池監(jiān)測芯片對電池電壓進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(shè)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?，可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(hù)作用。A0-A3 引腳為地址標(biāo)定端，可用于多個 LTC6811 芯片級聯(lián)時進(jìn)行地址分配，由于本文采用的是模塊化設(shè)計，每個電池電壓監(jiān)測芯片構(gòu)成一個模塊，在此把 A0-A3 都接在電池負(fù)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(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸過程種抗干擾能力。

圖 2 為隔離式串行外設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為實(shí)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(dá) 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(shí)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(jìn)行初始化，配置為隔離式串行外設(shè)接口 IsoSPI 工 作模式，對 SPI 數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)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(shè)置 SPI 控制寄存器 2（SPIC2）為 0b00000000，在等待模式中 SPI 時鐘繼續(xù)運(yùn)行，SPI 為數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出使用獨(dú)立管腳，設(shè)置 SPI 波特率寄存器（SPIBR）為 0b00000010，預(yù)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(jìn)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(yīng)配置寄存器（WRCFG），設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換，采用輪詢方式。在一個器件堆棧中啟動 ADC 轉(zhuǎn)換將發(fā)送一個 ADCV 命 令，所有的器件將同時啟動轉(zhuǎn)換操作，對于讀和寫命令，發(fā)送單個命令，然后堆棧器件實(shí)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(shè)接口 IsoSPI 模式進(jìn)行通信的并行配置中，低側(cè)端口僅對其所接收的一個主控口 IsoSPI 脈沖做出響應(yīng)，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(zhuǎn)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(yīng)是當(dāng)其總線在忙于執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作時將回送一個 IsoSPI 脈沖，當(dāng)其總線已完成轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)指令后，測試采集 12 節(jié)單體鋰離子電池電壓和實(shí)際電池電壓如下表 1。采集值與實(shí)際值誤差在 1 mV 以內(nèi)，結(jié)果表明 LTC6811 可以實(shí)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(jìn)行均衡控制將很有必要。

3.1 鋰離子電池電壓均衡電路設(shè)計

目前常用的鋰離子電池電壓均衡方案是通過開關(guān)在每個單體鋰離子電池兩端并聯(lián)一個電阻，當(dāng)各單體鋰離子電池電壓相差較大時，閉合開關(guān)，使電壓較高的單體鋰離子電池進(jìn)行放電，現(xiàn)常用的均衡電流為 100 mA 左右，當(dāng)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(shè)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(yīng)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(dāng)各單體電池壓差大于預(yù)設(shè)值（20 mV）時，啟動均衡，控制相應(yīng)的電壓監(jiān)測芯片 LTC6811 的 S1-S3 引腳觸發(fā)，PMOS 場效應(yīng)管柵極源極之間形成壓差，場效應(yīng)管 Q1-Q3 相應(yīng)導(dǎo)通，通過兩個 6.2 R 并聯(lián)電阻進(jìn)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(dú)立結(jié)構(gòu)，易于更換維護(hù)，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(yù)設(shè)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(nèi)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(yù)設(shè)值（20 mV），關(guān)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(jié)語

本文設(shè)計的基于隔離式串行外設(shè)接口 IsoSPI 的鋰離子電池管理系統(tǒng)能夠?qū)︿囯x子電池進(jìn)行電壓采樣同時能夠?qū)﹄姵亟M內(nèi)單體電池電壓不一致的電池進(jìn)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(kuò)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(shè)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(hù)，為新能源行業(yè)的發(fā)展提供了促進(jìn)作用。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)