基于AD7280A的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)，最關(guān)鍵的動(dòng)力供給來(lái)源是蓄電池。筆者基于ADI公司AD7280A設(shè)計(jì)了一種鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)，采用菊花鏈方式對(duì)12個(gè)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓電流和充電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。文章所給出的部分硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

AD7280A； 電池監(jiān)測(cè)；菊花鏈

TP273

A

動(dòng)力電池為電動(dòng)汽車(chē)提供電能，直接影響電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行研究，關(guān)鍵是研究動(dòng)力電池的性能以及建立安全可靠的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)單體電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池組的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池在工作過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，保障動(dòng)力電池安全可靠地工作，對(duì)危險(xiǎn)情況及時(shí)產(chǎn)生有效的預(yù)警。主要設(shè)計(jì)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(jì)基于ADI公司AD7280A，采用菊花鏈方式對(duì)12個(gè)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓電流和充電狀態(tài)地監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由2個(gè)處于高壓端級(jí)聯(lián)的AD7280A、1個(gè)處于低壓控制器之間的數(shù)字隔離器ADUM1401、1個(gè)帶有DC/DC變換器的隔離器ADUM5401組成，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)12個(gè)電池組，提供初級(jí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給下級(jí)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(hào)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(huì)被切斷；同樣的，如果PD信號(hào)被電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制器拉低，那么ADUM5401隔離器及AD7280A也會(huì)被斷電，其中ADUM5401是由電源開(kāi)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(jì)

2.1AD7280A芯片介紹

AD7280A擁有用于監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)和油電混合動(dòng)力汽車(chē)串聯(lián)堆疊鋰電池所有基本功能。AD7280A可以用來(lái)監(jiān)測(cè)6個(gè)電壓通道并有多個(gè)ADC輔助測(cè)量端口[1]。其內(nèi)部擁有一個(gè)基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)為±3 ppm/℃參考電壓，可以監(jiān)測(cè)到單個(gè)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(gè)通道數(shù)據(jù)。AD7280A內(nèi)部帶有可編程的寄存器，通過(guò)設(shè)置寄存器來(lái)配合不同的應(yīng)用需求。它還帶有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，來(lái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)電壓輸入和ADC輸入是否超出上下限；并設(shè)置有單個(gè)電池單元平衡接口用于控制外部FET來(lái)放電達(dá)到電池單元之間的電壓差。AD7280A通過(guò)級(jí)聯(lián)端口可以最多串聯(lián)8個(gè)芯片來(lái)控制更多電池單元[2]，芯片之間無(wú)需額外的隔離器件，每個(gè)芯片只需要一個(gè)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(shí)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(chē)工業(yè)AECQ100規(guī)范的要求。

2.2 2級(jí)聯(lián)AD7280A連接說(shuō)明

級(jí)聯(lián)的2個(gè)AD7280A用來(lái)檢測(cè)12個(gè)電池單元[3]。其中一AD7280A的VIN0接串聯(lián)電池第一個(gè)單元的負(fù)極，VIN1接第一個(gè)電池單元的正極；以此類(lèi)推，另一AD7280A的VIN5接第十二個(gè)電池單元的負(fù)極，VIN6接第十二個(gè)電池單元的正極。在每個(gè)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(duì)欠壓或過(guò)壓起到保護(hù)作用，同時(shí)10 kΩ電阻在上電初期也能起到保護(hù)的作用。在每個(gè)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(duì)電池組產(chǎn)生過(guò)壓沖擊。每個(gè)AD7280A可以連接6個(gè)電池單元，這樣可以達(dá)到30 V的電壓，所以相鄰級(jí)聯(lián)芯片之間有30 V的壓差，這個(gè)芯片就不能并聯(lián)在一起跟主CPU進(jìn)行通信，AD7280A允許芯片之間可以通過(guò)獨(dú)立SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼處理。SPI總線包括片選信號(hào)CS，串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK，串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)SDI，串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)SDO，除了這幾個(gè)信號(hào)線之外還有3個(gè)可選信號(hào)線過(guò)流或過(guò)壓警告ALERT，轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)CNVST和關(guān)閉電源信號(hào)PD；這7個(gè)信號(hào)線都可以鏡像到這個(gè)菊花鏈中，使每個(gè)AD7280A都可以跟相鄰的另一個(gè)AD7280A通信。例如每個(gè)串行時(shí)鐘線都來(lái)自于SCLK并被傳送到SCLKhi引腳上。在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，處于主機(jī)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(hào)通信信號(hào)與主處理器相連，而處于從機(jī)狀態(tài)的AD7280A，這些引腳作為級(jí)聯(lián)接口；主機(jī)的AD7280A的SDO和ALERT作為邏輯通信信號(hào)與主處理器相連，從機(jī)的這2個(gè)引腳處于三態(tài)狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)輸出SDOlo， 警告信號(hào)ALERTlo作為級(jí)聯(lián)接口把數(shù)據(jù)傳到下一個(gè)AD7280A。設(shè)計(jì)硬件PCB時(shí)所有AD7280A必須在同一個(gè)板子上，22 pF電容要靠近級(jí)聯(lián)接口的接收端，保證VDD和VSS走線阻抗盡可能的小，級(jí)聯(lián)的接口線走到PCB的內(nèi)層，上一級(jí)的VSS需要用整塊銅箔鋪在級(jí)聯(lián)的接口線部分作為保護(hù)隔離層，級(jí)聯(lián)的AD7280A之間距離盡可能的短，除了主AD7280A的VSS線上的那個(gè)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(jì)

AD7280A與主CPU之間的信號(hào)CS，SCLK，SDI，SDO，CNVST，PD和ALERT需要進(jìn)行隔離處理，設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)組成，具體如圖2所示。通過(guò)PD信號(hào)控制U8的ADG849的第一腳來(lái)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(shí)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(shí)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(jì)

3.1AD7280A讀寫(xiě)

AD7280A的串行接口是SPI的模式1，時(shí)鐘極性為0，相位為1；數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿時(shí)輸入到AD7280A，在上升沿時(shí)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(duì)齊，在此期間CS信號(hào)要一直為低。32位寫(xiě)周期如表1，D31～D27這5位是器件地址，在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中的每個(gè)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(zhǎng)度；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位；所有地址標(biāo)識(shí)位為1時(shí)向級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中的所有芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)器件地址為0x00；校驗(yàn)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(jì)算出來(lái)的；010標(biāo)識(shí)此32位數(shù)據(jù)為寫(xiě)數(shù)據(jù)。AD7280A有兩類(lèi)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(xiě)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(jì)算機(jī)操作用戶界面，是Matlab實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境。設(shè)計(jì)功能包括：配置COM，配置參數(shù)過(guò)電壓、低電壓等參數(shù)，讀取當(dāng)前溫度、電壓等，簡(jiǎn)單的SOC、SOH功能。

4 結(jié)語(yǔ)

硬件設(shè)計(jì)好后，搭配軟件，接上12組串接在一起的電池單元測(cè)試，可以實(shí)時(shí)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(guò)溫、過(guò)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(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)可以測(cè)試短路開(kāi)路情況。

[1]鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)AD7280A數(shù)據(jù)手冊(cè)[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(jì)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013.

[3]佚名.集成信號(hào)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(jí)科研基金項(xiàng)目(YN1214);常州工學(xué)院2013年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(A-4004-13-120)

蔣小燕(1980— )，女，碩士，講師。

1671- 0436(2014)03- 0023- 04