基于IsoSPI的锂离子电池管理系统研究*

摘要：单体锂离子电池具有个体差异，如果对这些差异不加与控制，在循环工作过程中，将会加大这种差异，从而不能充分发挥锂离子电池效率。本文设计了锂离子电池管理系统，能够对多节锂离子电池电压进行采样并均衡，采用IsoSPI数据链路，把采样与均衡单元做成模块化，成本低，易于扩展，同时采用大电流均衡，使电池电压均衡速率快。

关键词：锂离子电池；电池管理系统；IsoSPI数据链路；大电流均衡

*基金项目：江西省教育厅科技项目，项目编号：GJJ209302

1 前言

经济的飞速发展，同时带来了能源短缺、空气和水量下降、气候变暖等一系列问题，发展新型能源将变得尤为重要。在新能源行业中，锂离子电池的使用率越来越高，单体锂离子电池电压及容量较低，在工作中都是把多节锂离子电池串并联起来使用。由于单体锂离子电池制造过程中性能的不一致，以及使用过程中电池包内部环境的非均匀性等原因，随着使用时间及循环次数的增加，单体锂离子电池之间的性能差异将逐渐拉大 ^[1]。若不采取措施将造成某些单体电池过充电，某些单体电池过放电，过充和过放不仅影响电池寿命，损坏电池，而且还可能产生大量的热量造成电池性能急剧下降，同时增加安全隐患，因此采取电池能量均衡技术来补偿电池性能的差异是非常有必要的 ^[2]。锂离子电池越来越多地被应用于大功率设备上，同时对锂离子电池管理系统的要求也越来越高，锂离子电池管理系统的功能也越来越强大^[3]。本文设计了锂离子电池管理系统，能够对多节锂离子电池电压进行采样并均衡，采用 IsoSPI（隔离式串行外设接口）数据链路，把采样与均衡单元做成模块化，成本低、速率快、易于扩展；采用大电流均衡设计，使各单体锂离子电池电压均衡速率快。

2 锂离子电池电压采样

2.1 锂离子电池电压采样电路设计

目前常采用模拟前端电池监测芯片对电池电压进行采样，电压采样完之后电池监测芯片通过板上总线把数据发送给微处理器，当有多节电池串并联使用时，将需要多个微处理器通过 CAN 总线进行数据汇总。对于电池包中含有多节单体电池时，需要多个电池监测从板对单体电池电压进行数据采样，每个电池监测从板都有一个微处理器，增加使用成本。

本文设计了一种基于 IsoSPI 数据链路模拟前端电池电压采样电路，每个电池监测从板通过 IsoSPI 数据链路，再将数据汇总到终端一个微处理器单元，增加了数据传输的可靠性，可扩展性强，同时减少每个电池监测从板上微处理器个数，降低使用成本。图 1 为模拟前端电池检测芯片电压采样电路图。主要包括模拟前端电压监测芯片 LTC6811，LTC6811 最多可测量 12 节单体电池电压，总测量误差小于 1.2 mV，单体电池电压测量范围 0-5 V ^[4]。电压监测芯片 LTC6811 的引脚 C0-C12 分别 连接串联的各单体电池正极，中间加入 100 Ω 的电阻起 限流保护作用。A0-A3 引脚为地址标定端，可用于多个 LTC6811 芯片级联时进行地址分配，由于本文采用的是模块化设计，每个电池电压监测芯片构成一个模块，在此把 A0-A3 都接在电池负端。ISOMD 为串行接口模式选择端，把 ISOMD 引脚接在 VREG 端将选择 IsoSPI 数据传输模式，连接在 V- 端将选择四线式 SPI 传输模 式，本文选择的是隔离式串行外设接口 IsoSPI 数据传输模式，因此将 ISOMD 引脚接在 VREG 端。IP、IM 为 IsoSPI 数据链路接口，是一对差分输入 / 输出接口，各个电池监测从板通过这两个接口进行数据交互，提高数据传输稳定性，增强数据传输过程种抗干扰能力。

图 2 为隔离式串行外设接口 IsoSPI 数据链路部分电路图。主要包括 LTC6820 SPI 隔离器，LTC6820 通过单个双绞线连接在两个隔离器件之间提供双向 SPI 通信，每个 LTC6820 隔离器将逻辑状态编码为信号，并跨越一个隔离势垒将信号传送至另一个 LTC6820 隔离器。微处理器端数据传输总线为四线制 SPI，四线制 SPI 通过 LTC6820 隔离器分成两线制 IsoSPI， IP，IM 再与电压监测芯片 LTC6811 进行数据通信。为实现更好的隔离，在数据传输中间加入隔离变压器 CEEH96B， CEEH96B 两端隔离电压达 2 500 V，在隔离变压器两边加入共模滤波器滤除杂波，保证信号传输稳定，同时并联 120 Ω 电阻，实现阻抗匹配。

2.2 仿真与测试

图 3 为电池监测从板电压采样流程图，首先对电压监测芯片 LTC6811 进行初始化，配置为隔离式串行外设接口 IsoSPI 工 作模式，对 SPI 数据传输相关寄存器进行设置，设置 SPI 控制寄存器 1（SPIC1）为 0b01011100，使能 SPI 系统，SPI 模块配置为主 SPI 器件，时钟低有效，SPI 空闲时为高态，串行数据传 始于最高位，设置 SPI 控制寄存器 2（SPIC2）为 0b00000000，在等待模式中 SPI 时钟继续运行，SPI 为数据输入和数据输出使用独立管脚，设置 SPI 波特率寄存器（SPIBR）为 0b00000010，预分频系数为 1，速率系数为 8，波特率为 1 Mbps。LTC6811 初始化完成后，如果在 IsoSPI 端口上持续 4.5 ms 的时间没有动作，则串行端口将进入低功耗 IDLE 状态，需要接收一个大信号单端脉冲或一个低幅度对称脉冲才能唤醒接口，以确保所有的器件均处于 READY 状态，在此通过 SPI 发送一个虚字节唤醒串行接口。接着写相应配置寄存器（WRCFG），设置 LTC6811 命令方式，其中有两种方式，一种是广播命令，一种是地址命令。本设计采用的是广播命令，LTC6811 芯片接收广播命令的字节。写配置寄存器完成后启动电池电压 ADC 转换，采用轮询方式。在一个器件堆栈中启动 ADC 转换将发送一个 ADCV 命 令，所有的器件将同时启动转换操作，对于读和写命令，发送单个命令，然后堆栈器件实际上变成了一个级联式移位寄存器，其中的数据通过每个器件移至堆栈中的下一个器件。在以隔离式串行外设接口 IsoSPI 模式进行通信的并行配置中，低侧端口仅对其所接收的一个主控口 IsoSPI 脉冲做出响应，也就是传输一个数据脉冲。因此，在采用轮询方式输入命令之后，IsoSPI 数据脉冲将被发送至器件以更新转换状态，这些脉冲可采用 LTC6820 来发送。针对此脉冲，LTC6811 做出的响应是当其总线在忙于执行转换操作时将回送一个 IsoSPI 脉冲，当其总线已完成转换操作时则不回送脉冲，如果在一个 CSB 高电平状态有 IsoSPI 脉冲发送至 LTC6811，则其将退出轮询命令。最后读取相应的电池寄存器组，获得各单体电池电压。

图 4 为写配置寄存器通过逻辑分析仪测试得到的数据，先把 CSB 拉至低电平，再发送 WRCFG 命令（0x00 0x01）及其 PEC（0x3D 0x6E），发送完命令之后再把 CSB 拉至高电平，数据在 CSB 的上升沿上被锁定至所有的器件中。

图5 为启动电池电压 ADC 转换通过逻辑分析仪测试得到的数据，先把 CSB 拉至低电平，再发送 ADCV 命令（0x03 0x70）及其 PEC（0xAF 0x42）。发送完命令之后再把 CSB 拉至高电平。

图 6 为读电池寄存器组通过逻辑分析仪测试得到的数据，先把 CSB 拉至低电平，再发送 RDCVA 命令（0x80 0x04）及其 PEC（0x77 0xD6）。发送完命令之后再把 CSB 拉至高电平。

通过发送相应指令后，测试采集 12 节单体锂离子电池电压和实际电池电压如下表 1。采集值与实际值误差在 1 mV 以内，结果表明 LTC6811 可以实现单体电池电压的精确采集。

3 锂离子电池电压均衡

由于锂离子电池都是成组后使用的，在多次充放电之后，锂离子电池的差异将会越来越明显，所以对锂离子电池电压进行均衡控制将很有必要。

3.1 锂离子电池电压均衡电路设计

目前常用的锂离子电池电压均衡方案是通过开关在每个单体锂离子电池两端并联一个电阻，当各单体锂离子电池电压相差较大时，闭合开关，使电压较高的单体锂离子电池进行放电，现常用的均衡电流为 100 mA 左右，当各单体锂离子电池压差较大时，均衡速率慢，甚至不产生均衡效果^[5]。本文设计了一种大电流均衡电路，如图 7 所示为部分电池均衡电路，BC0-BC3 为三节串联锂离子电池单体的四个出线端，S1-S3 通过接插件连接到电压监测芯片 LTC6811 对应引脚端，电压采样端 采集完各单体电池电压之后，判断出各个单体电池之间压差，当各单体电池压差大于预设值（20 mV）时，启动均衡，控制相应的电压监测芯片 LTC6811 的 S1-S3 引脚触发，PMOS 场效应管栅极源极之间形成压差，场效应管 Q1-Q3 相应导通，通过两个 6.2 R 并联电阻进行大电流均衡，均衡电流在 1 A 左右，均衡速率快，同时把均衡模块做成一个独立结构，易于更换维护，节省成本。

3.2 测试

取两节有压差的单体锂离子电池为例，电压差大于预设值（20 mV），将对高电压单体电池启动大电流均衡，测试得到各时间段内两节单体电池电压值如表 2 所示。 经过 120 分钟电流均衡后，两节单体电池电压差低于预设值（20 mV），关闭均衡模块，完成了两节有压差的单体锂离子电池电压的均衡。

4 结语

本文设计的基于隔离式串行外设接口 IsoSPI 的锂离子电池管理系统能够对锂离子电池进行电压采样同时能够对电池组内单体电池电压不一致的电池进行大电流均衡，从而提高锂离子电池使用寿命及效率。锂离子电池的电压采样采用的是 IsoSPI 数据链路，可靠性高，稳定好，可扩展到多节单体电池电压采样，锂离子电池的电压均衡使用的是大电流均衡设计，均衡速率快，采样及均衡做成模块化，降低了使用成本，增加了利用率，便于维护，为新能源行业的发展提供了促进作用。

参考文献：

[1] 朱信龙,王均毅,潘加爽,等.集装箱储能系统热管理系统的现状及发展[J].储能科学与技术,2022,11(01):107-118.

[2] 孙振宇,王震坡,刘鹏,等.新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述[J].机械工程学报,2021,57(14):87-104.

[3] 安志胜,孙志毅,何秋生.车用锂离子电池管理系统综述[J].电源技术,2013,37(6):1069-1071.

[4] 翟二宁,滑娟,崔晓宇,等.动力电池组主动均衡系统设计与实现[J].电源技术,2020,44(2):249-252.

[5] 戴海峰,王楠,魏学哲,等.车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述[J].汽车工程,2014,36(2):181-188.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年8月期)