2022年9月28日
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

摘要:单体锂离子电池有个体差异,如果不抑制这些差异,循环工作中这些差异会增加,无法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,可以对多个锂离子电池电压进行采样和平衡,利用IsoSPI数据链路对采样和平衡装置进行模块化,成本低,易于扩展,采用大电流平衡加快电池电压平衡速度。

关键词:锂离子电池;电池管理系统IsoSPI数据链路:大电流平衡

*基金项目:江西省教育厅科技项目,项目编号:GJJ209302

1前言

经济的快速发展带来能源短缺、空气和水的减少、气候变暖等一系列问题,新能源开发将变得尤为重要。新能源产业中锂离子电池的利用率越来越高,单体锂离子电池的电压和容量越来越低,工作中并排使用多个锂离子电池。单体锂离子电池制造过程中的性能不一致、使用过程中电池组内部环境的不均匀等原因导致使用时间和循环次数的增加,单体锂离子电池之间的性能差异将逐渐扩大[1]。如果不采取措施,部分单体电池会过度充电,部分单体电池过度放电,过度充电和过度放电不仅会影响电池寿命,电池受损,还会产生大量热量,导致电池性能急剧下降,增加安全风险,因此必须采用电池能量平衡技术来弥补电池性能差异[2]。锂离子电池越来越多地用于大容量设备,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,对多锂离子电池电压进行采样和平衡,并利用IsoSPI(分离串行外围接口)数据链路对采样和平衡单元进行模块化,实现了低成本、高速度、易扩展的目的。采用大电流平衡设计,加快各单体锂离子电池的电压平衡速度。

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,使用模拟前端电池监控芯片对电池电压进行采样,电压采样后,电池监控芯片通过主板总线向微处理器传输数据,如果多个电池串并行使用,则需要多个微处理器通过CAN总线聚合数据。如果电池组包含多个单体电池,则需要多个电池监控来采样主板上的单体电池电压,每个电池监控在主板上都有微处理器,从而增加了使用成本。

本文旨在基于IsoSPI数据链路模拟前端电池电压采样电路。每个电池监控通过主板上的IsoSPI数据链路将数据聚合到终端微处理器设备上,提高了数据传输的可靠性和可扩展性。同时,每个电池监控减少了主板微处理器的数量,从而降低了使用成本。图1是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控芯片LTC6811、LTC6811最多12个单电池电压测量,总测量误差小于1.2 mV,单电池电压测量范围。

0-5 V[4]。电压监控芯片LTC6811针C0-C12

连接连接的各团体电池的阳极,中间加入100的电阻

限制性流动保护作用。A0-A3针脚是多个LTC6811芯片级联时可用于地址分配的寻址端点。本文采用模块化设计,每个电池电压监控芯片构成一个模块,其中A0-A3连接到电池负端。ISOMD串行接口模式选择器,将ISOMD针脚插入VREG末端将选择IsoSPI

数据传输模式,V侧选择4线SPI传输模式

风格,本文选择隔离串行外围设备接口IsoSPI数据传输模式,将ISOMD针脚连接到VREG末端。IP、IM包括

IsoSPI数据链路接口是差分输入/输出接口,每个电池监控通过主板与数据交互,提高数据传输稳定性,增强数据传输过程的抗干扰能力。

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图2是隔离串行外围设备接口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开关之间提供双向SPI通信。每个LTC6820隔离器将逻辑状态编码为信号。跨越一个隔离屏障向另一个LTC6820隔离器发送信号。微处理器端数据传输总线为4线制SPI,4线制SPI通过LTC6820隔离器分为2线制IsoSPI。

IP、IM再次与电压监控芯片LTC6811进行数据通信。为了更好地隔离,在数据传输中间添加隔离变压器CEEH96B。

CEEH96B的两端隔离电压达到2,500伏,在隔离变压器两侧添加共模滤波器,消除噪声,使信号传输稳定,同时通过并联120电阻实现阻抗匹配。

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2.2模拟和测试

图3为电池监测板电压采样流程图,首先初始化电压监测芯片LTC6811,并将其配置为隔离串行外围接口IsoSPI操作模式,以设置SPI数据传输相关寄存器,并将SPI控制寄存器1(SPIC1)设置为0b01011100,从而实现SPI系统。主要配置SPI模块。

设备、时钟低、SPI空闲时处于高状态、串行数据传输从最高级别开始,并将SPI控制寄存器2(SPIC2)设置为

0b0000000,待机模式下SPI时钟继续运行,SPI使用独立针脚进行数据输入和数据输出,将SPI波特率寄存器(SPIBR)设置为0b000000010,预分解系数为1,速度系数为8,波特率为1 Mbps。LTC6811初始化完成后,如果IsoSPI端口在4.5毫秒内没有任何动作,串行端口将切换到低功耗IDLE状态,必须接收通过SPI发送虚拟字节唤醒串行接口的大信号单端脉冲或低宽度对称脉冲才能唤醒接口。然后,建立相应的配置寄存器(WRCFG)并设置LTC6811命令的两种方法:广播命令和地址命令。本设计使用广播命令,LTC6811芯片接收广播命令的字节。写入配置寄存器完成后,开始电池电压ADC转换(使用轮询方法)。在设备堆栈中启动ADC转换后,将发送ADCV命令

所有部件同时开始转换操作,向读写命令发送单个命令,堆栈设备实际上变成级联移位寄存器,通过每个设备移动到堆栈中的下一个设备。隔离的串行外围设备接口在以IsoSPI模式通信的并行配置中,底部端口只有一个接收到的主端口

IsoSPI脉冲响应并发送数据脉冲。因此,以轮询方式输入命令时,IsoSPI数据脉冲将发送到装置,以更新LTC6820可用的转换状态。

我是来送你的。对于该脉冲,LTC6811的响应是在所述总线执行转换操作时返回IsoSPI脉冲,在所述总线完成转换操作时不返回脉冲(如果是CSB)

向LTC6811发送高电平IsoSPI脉冲时,轮询命令结束。最后,读取相应的电池寄存器集,获得每个单个电池电压。

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图4显示了WRCFG命令(0x00),用于写入配置寄存器通过逻辑分析器测试的数据。

0x01)及其PEC(0x3D0x6E)在发送命令后

CSB拉动最高级别,数据从CSB的上升边缘锁定到所有设备。

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图5显示了通过启动电池电压ADC转换通过逻辑分析器测试获得的数据。首先,将CSB拉到较低级别,然后发送ADCV。

命令(0x030x70)和相应的PEC(0xAF0x42)。发送命令后,将CSB拉到最高级别。

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图6显示了RDCVA命令(0x80

0x04)和相应的PEC(0x770xD6)。发送命令后,

CSB拉动最高水平。

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发送相应说明后,测试12个单体锂离子电池电压和实际电池电压(见下表1)。收集值和实际值误差在1 mV以内的结果表明,LTC6811能够准确收集单个电池电压。

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3锂离子电池电压平衡

锂离子电池都是分组使用的,所以多次充电后锂离子电池的差异越来越明显,所以需要对锂离子电池电压进行平衡控制。

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平衡方案是通过开关对各单体锂离子电池两端同时进行电阻,在各单体锂离子电池电压差异较大时关闭开关放电电压较高的单体锂离子电池,目前常用的平衡电流在100毫安左右,各单体锂离子电池压力差异较大时平衡速度减慢,也不会产生平衡效果[5]。本文设计了部分电池平衡电路(如图7所示)、BC0-BC3是三级串行锂离子电池单体的四个线端、S1-S3是通过插件连接到电压监测芯片LTC6811的针脚端、电压样品端。

收集各单体电池电压后,确定各单体电池之间的差压,并在各单体电池差压大于默认值(20 mV)时开始平衡,以控制该电压监测芯片LTC6811的S1-S3。

引脚触发器、PMOS场效应管栅极源极之间形成差压,场效应管Q1-Q3相应传递,通过两个6.2 R并联电阻实现大电流平衡,平衡电流约为1 A,平衡速度快,同时使平衡模块形成单独的结构,便于更换维护,降低成本。

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3.2测试

以两个有压力差的单体锂离子电池为例,如果电压差大于默认值(20 mV),则开始对高压单体电池进行大电流平衡,每个时段的两个单体电池电压值见表2。

在120分钟电流平衡后,完成了两个单体电池电压差低于默认值(20 mV)、关闭均衡模块、带差压的单体锂离子电池电压两个平衡。

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4结论

本文设计了基于隔离的串行外围设备接口IsoSPI的锂离子电池管理系统,旨在对锂离子电池的电压进行采样,并对电池组内的单个电池电压不一致的电池实现高电流平衡,从而提高锂离子电池的寿命和效率。锂离子电池的电压采样采用IsoSPI数据链,稳定性高、稳定,可扩展到多个单体电池电压样本,锂离子电池的电压平衡通过模块化大电流平衡设计、平衡速度、采样和平衡,有助于降低使用成本、提高利用率、便于维护,促进新能源产业的发展。

参考文献:

[1]朱新龙、王均、潘家昌等。集装箱储能系统热管理系统的现状与发展[J]。能源储存科学和技术,2022,11(01):107-118。

[2]孙振宇、王振波、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、夏秋生。汽车锂离子电池管理系统综述[J]。电力技术,2013,37(6):1069-1071。

[4]李斗宁、滑燕、崔晓宇等。动力电池组主动平衡系统的设计与实现[J]。电力技术,2020,44(2):249-252。

[5]戴海峰、王楠、魏学哲等。汽车动力锂离子电池单体不匹配问题探讨[J]。汽车工程,2014,36(2):181-188。

(注:本文转载于《电子产品世界》杂志2022年8月刊)

|基于IsoSPI的锂离子电池管理系统研究*

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