基于AD7280A的电池监测系统设计

蒋小燕，顾佳元，徐悦

(1.常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002；2.常州工学院延陵学院,江苏常州213002)

基于AD7280A的电池监测系统设计

蒋小燕1，顾佳元2，徐悦2

(1.常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002；2.常州工学院延陵学院,江苏常州213002)

电动汽车和混合动力汽车，最关键的动力供给来源是蓄电池。笔者基于ADI公司AD7280A设计了一种锂电池监控系统，采用菊花链方式对12个电池组进行实时电压电流和充电状态的监测。文章所给出的部分硬件和软件设计，对电池监测系统设计具有一定的参考价值。

AD7280A； 电池监测；菊花链

TP273

A

动力电池为电动汽车提供电能，直接影响电动汽车的动力性能。对电动汽车进行研究，关键是研究动力电池的性能以及建立安全可靠的电池监测系统。电池监测系统对每个单体电池进行监测，从而实现对整个动力电池组的管理，实时监测动力电池在工作过程中的各项参数，保障动力电池安全可靠地工作，对危险情况及时产生有效的预警。主要设计功能应该包括：电池外特性参数采集、温度控制、充放电控制、剩余荷电状态(SOC,State of Charge)估算、故障诊断、CAN(Controller Area Network)通信等。本设计基于ADI公司AD7280A，采用菊花链方式对12个电池组进行实时电压电流和充电状态地监测。

1 系统设计

监控系统由2个处于高压端级联的AD7280A、1个处于低压控制器之间的数字隔离器ADUM1401、1个带有DC/DC变换器的隔离器ADUM5401组成，可以同时监测12个电池组，提供初级的监控数据发送给下级电池管理控制器。AD7280A可以从它监控的电池取电，ADUM5401带有DC/DC变换器，可以给ADUM1401的高压端和AD7280A的SPI接口供电并可发出关电信号PD。如果BMS低压端的+5 V供电切断，那么AD7280A和隔离器的供电就会被切断；同样的，如果PD信号被电源监测系统控制器拉低，那么ADUM5401隔离器及AD7280A也会被断电，其中ADUM5401是由电源开关ADG849供电。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1AD7280A芯片介绍

AD7280A拥有用于监测电动汽车和油电混合动力汽车串联堆叠锂电池所有基本功能。AD7280A可以用来监测6个电压通道并有多个ADC辅助测量端口[1]。其内部拥有一个基准电压温度系数为±3 ppm/℃参考电压，可以监测到单个电池单元±1.6 mV的精确度。ADC具有12 bits的精度，可以在7 μs内处理48个通道数据。AD7280A内部带有可编程的寄存器，通过设置寄存器来配合不同的应用需求。它还带有自动报警系统，来动态检测电压输入和ADC输入是否超出上下限；并设置有单个电池单元平衡接口用于控制外部FET来放电达到电池单元之间的电压差。AD7280A通过级联端口可以最多串联8个芯片来控制更多电池单元[2]，芯片之间无需额外的隔离器件，每个芯片只需要一个供电接口，通常情况下，只需要6.9 mA的电流就可以执行1MSPS转换。同时可以工作在-40 ～+105 ℃范围内任何温度的工作环境中，完全符合汽车工业AECQ100规范的要求。

2.2 2级联AD7280A连接说明

级联的2个AD7280A用来检测12个电池单元[3]。其中一AD7280A的VIN0接串联电池第一个单元的负极，VIN1接第一个电池单元的正极；以此类推，另一AD7280A的VIN5接第十二个电池单元的负极，VIN6接第十二个电池单元的正极。在每个差分输入端串联一10 kΩ的电阻并与输入脚之间的100 nF的电容组成一低通滤波器，对欠压或过压起到保护作用，同时10 kΩ电阻在上电初期也能起到保护的作用。在每个AD7280A的供电电源处使用一30 V的稳压二极管，可以在上电初期防止对电池组产生过压冲击。每个AD7280A可以连接6个电池单元，这样可以达到30 V的电压，所以相邻级联芯片之间有30 V的压差，这个芯片就不能并联在一起跟主CPU进行通信，AD7280A允许芯片之间可以通过独立SPI总线进行数据的中继处理。SPI总线包括片选信号CS，串行时钟信号SCLK，串行数据输入信号SDI，串行数据输出信号SDO，除了这几个信号线之外还有3个可选信号线过流或过压警告ALERT，转换开始信号CNVST和关闭电源信号PD；这7个信号线都可以镜像到这个菊花链中，使每个AD7280A都可以跟相邻的另一个AD7280A通信。例如每个串行时钟线都来自于SCLK并被传送到SCLKhi引脚上。在级联系统中，处于主机状态的AD7280A，引脚CS，SCLK，SDI，CNVST和PD作为+3 V或者+5 V的逻辑信号通信信号与主处理器相连，而处于从机状态的AD7280A，这些引脚作为级联接口；主机的AD7280A的SDO和ALERT作为逻辑通信信号与主处理器相连，从机的这2个引脚处于三态状态，串行数据输出SDOlo， 警告信号ALERTlo作为级联接口把数据传到下一个AD7280A。设计硬件PCB时所有AD7280A必须在同一个板子上，22 pF电容要靠近级联接口的接收端，保证VDD和VSS走线阻抗尽可能的小，级联的接口线走到PCB的内层，上一级的VSS需要用整块铜箔铺在级联的接口线部分作为保护隔离层，级联的AD7280A之间距离尽可能的短，除了主AD7280A的VSS线上的那个可以用0 Ω取代之外，其他VDD线上的磁珠可以用20 Ω的电阻取代。

2.3隔离电路的设计

AD7280A与主CPU之间的信号CS，SCLK，SDI，SDO，CNVST，PD和ALERT需要进行隔离处理，设计中选用ADUM1401四通道数字隔离和ADUM5401带DC-DC转换器的四通道数字隔离芯片和ADG849单刀双掷开关组成，具体如图2所示。通过PD信号控制U8的ADG849的第一脚来控制电源给U6ADUM5401和U5ADUM1401供给5 V电源，当U6的VDD1脚供上电之后，由于其VSEL脚和其VISO脚相连，这样隔离器件另一侧都可以得到从VISO脚的输出+5 V电压，同时U5的VDD2也与U6VISO脚相连，U5的另一侧也同样供上了+5V电源，同时主AD7280A的VDRIVE脚也连接到VISO网路上，这样就有相同的逻辑电平。其中电容C65，C67，C67，C71，C73均为100 pF，电容C66，C68，C70，C72为10 μF，电阻R85，R90，R91均为10 kΩ。

3 软件设计

3.1AD7280A读写

AD7280A的串行接口是SPI的模式1，时钟极性为0，相位为1；数据在时钟下降沿时输入到AD7280A，在上升沿时输出AD7280A。AD7280A是32位的宽度，如果使用8位或16位的处理器，

图2 隔离电路

需要做32位对齐，在此期间CS信号要一直为低。32位写周期如表1，D31～D27这5位是器件地址，在级联系统中的每个AD7280A都有唯一的地址，初始的地址都为0x00;寄存器的地址6位长度；数据长度为8位；所有地址标识位为1时向级联系统中的所有芯片发送数据，此时器件地址为0x00；校验位为D10～D3的8位数据，这些数据是D11～D31的数据根据公式计算出来的；010标识此32位数据为写数据。AD7280A有两类读操作：读取转换结果，如表2所示；读取寄存器数据，如表3所示。

表1 32位写周期

表2 32位转换结果读取周期

表3 32位寄存器数据读取周期

3.2图形用户界面

图形用户界(GUI，Graphical User Interface)是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面，是Matlab实现人机交互功能的可视化开发环境。设计功能包括：配置COM，配置参数过电压、低电压等参数，读取当前温度、电压等，简单的SOC、SOH功能。

4 结语

硬件设计好后，搭配软件，接上12组串接在一起的电池单元测试，可以实时监控到12单元的电压、充电状态、剩余电量、温度、电池寿命，是否过温、过压、欠压，电池之间的平衡状态，短路等电池的基本性能。通过负载板调节可变电阻调节不同电池组的电压，这样在GUI界面中可以看到各单元电压的变化，通过开关可以测试短路开路情况。

[1]锂离子电池监控系统AD7280A数据手册[EB/OL].[2014-04-28].http://www.bdtic.com/DataSheet/ADI/AD7280A_cn.pdf.

[2]宗香香.一种高精度高效锂离子电池充放电系统设计[D].镇江:江苏大学,2013.

[3]佚名.集成信号和电源隔离的锂离子电池组监控器[J].电子技术应用,2011，37(9):23.

责任编辑：陈 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

常州工学院2012年度校级科研基金项目(YN1214);常州工学院2013年大学生实践创新创业训练计划项目(A-4004-13-120)

蒋小燕(1980— )，女，硕士，讲师。

1671- 0436(2014)03- 0023- 04