蔣小燕，顧佳元，徐悅

(1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,江蘇常州213002；2.常州工學(xué)院延陵學(xué)院,江蘇常州213002)

基于AD7280A的電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

蔣小燕1，顧佳元2，徐悅2

(1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,江蘇常州213002；2.常州工學(xué)院延陵學(xué)院,江蘇常州213002)

電動汽車和混合動力汽車，最關(guān)鍵的動力供給來源是蓄電池。筆者基于ADI公司AD7280A設(shè)計了一種鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)，采用菊花鏈方式對12個電池組進行實時電壓電流和充電狀態(tài)的監(jiān)測。文章所給出的部分硬件和軟件設(shè)計，對電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。

AD7280A； 電池監(jiān)測；菊花鏈

TP273

A

動力電池為電動汽車提供電能，直接影響電動汽車的動力性能。對電動汽車進行研究，關(guān)鍵是研究動力電池的性能以及建立安全可靠的電池監(jiān)測系統(tǒng)。電池監(jiān)測系統(tǒng)對每個單體電池進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對整個動力電池組的管理，實時監(jiān)測動力電池在工作過程中的各項參數(shù)，保障動力電池安全可靠地工作，對危險情況及時產(chǎn)生有效的預(yù)警。主要設(shè)計功能應(yīng)該包括：電池外特性參數(shù)采集、溫度控制、充放電控制、剩余荷電狀態(tài)(SOC,State of Charge)估算、故障診斷、CAN(Controller Area Network)通信等。本設(shè)計基于ADI公司AD7280A，采用菊花鏈方式對12個電池組進行實時電壓電流和充電狀態(tài)地監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)由2個處于高壓端級聯(lián)的AD7280A、1個處于低壓控制器之間的數(shù)字隔離器ADUM1401、1個帶有DC/DC變換器的隔離器ADUM5401組成，可以同時監(jiān)測12個電池組，提供初級的監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送給下級電池管理控制器。AD7280A可以從它監(jiān)控的電池取電，ADUM5401帶有DC/DC變換器，可以給ADUM1401的高壓端和AD7280A的SPI接口供電并可發(fā)出關(guān)電信號PD。如果BMS低壓端的+5 V供電切斷，那么AD7280A和隔離器的供電就會被切斷；同樣的，如果PD信號被電源監(jiān)測系統(tǒng)控制器拉低，那么ADUM5401隔離器及AD7280A也會被斷電，其中ADUM5401是由電源開關(guān)ADG849供電。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1AD7280A芯片介紹

AD7280A擁有用于監(jiān)測電動汽車和油電混合動力汽車串聯(lián)堆疊鋰電池所有基本功能。AD7280A可以用來監(jiān)測6個電壓通道并有多個ADC輔助測量端口[1]。其內(nèi)部擁有一個基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)為±3 ppm/℃參考電壓，可以監(jiān)測到單個電池單元±1.6 mV的精確度。ADC具有12 bits的精度，可以在7 μs內(nèi)處理48個通道數(shù)據(jù)。AD7280A內(nèi)部帶有可編程的寄存器，通過設(shè)置寄存器來配合不同的應(yīng)用需求。它還帶有自動報警系統(tǒng)，來動態(tài)檢測電壓輸入和ADC輸入是否超出上下限；并設(shè)置有單個電池單元平衡接口用于控制外部FET來放電達(dá)到電池單元之間的電壓差。AD7280A通過級聯(lián)端口可以最多串聯(lián)8個芯片來控制更多電池單元[2]，芯片之間無需額外的隔離器件，每個芯片只需要一個供電接口，通常情況下，只需要6.9 mA的電流就可以執(zhí)行1MSPS轉(zhuǎn)換。同時可以工作在-40 ～+105 ℃范圍內(nèi)任何溫度的工作環(huán)境中，完全符合汽車工業(yè)AECQ100規(guī)范的要求。

2.2 2級聯(lián)AD7280A連接說明

級聯(lián)的2個AD7280A用來檢測12個電池單元[3]。其中一AD7280A的VIN0接串聯(lián)電池第一個單元的負(fù)極，VIN1接第一個電池單元的正極；以此類推，另一AD7280A的VIN5接第十二個電池單元的負(fù)極，VIN6接第十二個電池單元的正極。在每個差分輸入端串聯(lián)一10 kΩ的電阻并與輸入腳之間的100 nF的電容組成一低通濾波器，對欠壓或過壓起到保護作用，同時10 kΩ電阻在上電初期也能起到保護的作用。在每個AD7280A的供電電源處使用一30 V的穩(wěn)壓二極管，可以在上電初期防止對電池組產(chǎn)生過壓沖擊。每個AD7280A可以連接6個電池單元，這樣可以達(dá)到30 V的電壓，所以相鄰級聯(lián)芯片之間有30 V的壓差，這個芯片就不能并聯(lián)在一起跟主CPU進行通信，AD7280A允許芯片之間可以通過獨立SPI總線進行數(shù)據(jù)的中繼處理。SPI總線包括片選信號CS，串行時鐘信號SCLK，串行數(shù)據(jù)輸入信號SDI，串行數(shù)據(jù)輸出信號SDO，除了這幾個信號線之外還有3個可選信號線過流或過壓警告ALERT，轉(zhuǎn)換開始信號CNVST和關(guān)閉電源信號PD；這7個信號線都可以鏡像到這個菊花鏈中，使每個AD7280A都可以跟相鄰的另一個AD7280A通信。例如每個串行時鐘線都來自于SCLK并被傳送到SCLKhi引腳上。在級聯(lián)系統(tǒng)中，處于主機狀態(tài)的AD7280A，引腳CS，SCLK，SDI，CNVST和PD作為+3 V或者+5 V的邏輯信號通信信號與主處理器相連，而處于從機狀態(tài)的AD7280A，這些引腳作為級聯(lián)接口；主機的AD7280A的SDO和ALERT作為邏輯通信信號與主處理器相連，從機的這2個引腳處于三態(tài)狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)輸出SDOlo， 警告信號ALERTlo作為級聯(lián)接口把數(shù)據(jù)傳到下一個AD7280A。設(shè)計硬件PCB時所有AD7280A必須在同一個板子上，22 pF電容要靠近級聯(lián)接口的接收端，保證VDD和VSS走線阻抗盡可能的小，級聯(lián)的接口線走到PCB的內(nèi)層，上一級的VSS需要用整塊銅箔鋪在級聯(lián)的接口線部分作為保護隔離層，級聯(lián)的AD7280A之間距離盡可能的短，除了主AD7280A的VSS線上的那個可以用0 Ω取代之外，其他VDD線上的磁珠可以用20 Ω的電阻取代。

2.3隔離電路的設(shè)計

AD7280A與主CPU之間的信號CS，SCLK，SDI，SDO，CNVST，PD和ALERT需要進行隔離處理，設(shè)計中選用ADUM1401四通道數(shù)字隔離和ADUM5401帶DC-DC轉(zhuǎn)換器的四通道數(shù)字隔離芯片和ADG849單刀雙擲開關(guān)組成，具體如圖2所示。通過PD信號控制U8的ADG849的第一腳來控制電源給U6ADUM5401和U5ADUM1401供給5 V電源，當(dāng)U6的VDD1腳供上電之后，由于其VSEL腳和其VISO腳相連，這樣隔離器件另一側(cè)都可以得到從VISO腳的輸出+5 V電壓，同時U5的VDD2也與U6VISO腳相連，U5的另一側(cè)也同樣供上了+5V電源，同時主AD7280A的VDRIVE腳也連接到VISO網(wǎng)路上，這樣就有相同的邏輯電平。其中電容C65，C67，C67，C71，C73均為100 pF，電容C66，C68，C70，C72為10 μF，電阻R85，R90，R91均為10 kΩ。

3 軟件設(shè)計

3.1AD7280A讀寫

AD7280A的串行接口是SPI的模式1，時鐘極性為0，相位為1；數(shù)據(jù)在時鐘下降沿時輸入到AD7280A，在上升沿時輸出AD7280A。AD7280A是32位的寬度，如果使用8位或16位的處理器，

圖2 隔離電路

需要做32位對齊，在此期間CS信號要一直為低。32位寫周期如表1，D31～D27這5位是器件地址，在級聯(lián)系統(tǒng)中的每個AD7280A都有唯一的地址，初始的地址都為0x00;寄存器的地址6位長度；數(shù)據(jù)長度為8位；所有地址標(biāo)識位為1時向級聯(lián)系統(tǒng)中的所有芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，此時器件地址為0x00；校驗位為D10～D3的8位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是D11～D31的數(shù)據(jù)根據(jù)公式計算出來的；010標(biāo)識此32位數(shù)據(jù)為寫數(shù)據(jù)。AD7280A有兩類讀操作：讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，如表2所示；讀取寄存器數(shù)據(jù)，如表3所示。

表1 32位寫周期

表2 32位轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取周期

表3 32位寄存器數(shù)據(jù)讀取周期

3.2圖形用戶界面

圖形用戶界(GUI，Graphical User Interface)是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面，是Matlab實現(xiàn)人機交互功能的可視化開發(fā)環(huán)境。設(shè)計功能包括：配置COM，配置參數(shù)過電壓、低電壓等參數(shù)，讀取當(dāng)前溫度、電壓等，簡單的SOC、SOH功能。

4 結(jié)語

硬件設(shè)計好后，搭配軟件，接上12組串接在一起的電池單元測試，可以實時監(jiān)控到12單元的電壓、充電狀態(tài)、剩余電量、溫度、電池壽命，是否過溫、過壓、欠壓，電池之間的平衡狀態(tài)，短路等電池的基本性能。通過負(fù)載板調(diào)節(jié)可變電阻調(diào)節(jié)不同電池組的電壓，這樣在GUI界面中可以看到各單元電壓的變化，通過開關(guān)可以測試短路開路情況。

[1]鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)AD7280A數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2014-04-28].http://www.bdtic.com/DataSheet/ADI/AD7280A_cn.pdf.

[2]宗香香.一種高精度高效鋰離子電池充放電系統(tǒng)設(shè)計[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013.

[3]佚名.集成信號和電源隔離的鋰離子電池組監(jiān)控器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011，37(9):23.

責(zé)任編輯：陳 亮

DesignofBatteryMonitoringSystemBasedonAD7280A

JIANGXiaoyan1,GUJiayuan2,XUYue2

(1.School of Electronic Information and Electric Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002;2.School of Yanling,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

The key power supply source of electric vehicles and hybrid electric vehicle is the battery power.The design is based on the ADI company′s AD7280A lithium battery monitoring system that uses the daisy chain mode to monitor 12 real-time voltage current and battery charging status.Part of the hardware and software are given in this paper,they have reference value to the battery monitoring system design.

AD7280A;battery monitor;daisy chain

2014- 04- 29

常州工學(xué)院2012年度校級科研基金項目(YN1214);常州工學(xué)院2013年大學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(A-4004-13-120)

蔣小燕(1980— )，女，碩士，講師。

1671- 0436(2014)03- 0023- 04