应用领域：汽车电子

方案类型：原型方案

主控芯片：AD7280A

方案概述

随着面向高压能源、工业和汽车领域的能源储存应用的发展，比如如风力发电、光伏电池和混合动力汽车，锂离子(Li-Ion)电池的应用日益普遍，进而刺激 了对更安全、更高性能电池监控和保护系统的需求。锂离子电池组包含大量的电池单元，必须正确监控才能提高电池效率，延长电池寿命并确保安全性。

本参考设计实现了锂离子电池监控所需的，包括电压、电流和温度测量，信号隔离以及安全监控等功能，可以满足锂电池制造商和电源系统设计商的各种需求。

本参考设计中采用的主要芯片有：

• AD7280A集成了对锂离子电池进行通用监控所需全部功能的锂离子电池监控器

• ADuM1401 采用ADI公司iCoupler® 技术的四通道数字隔离器

• ADuM5401 隔离的Σ-Δ调制器

硬件电路设计

• 电池监控系统包括主板和负载板

• 完全隔离的电池监控系统解决方案

• 支持12 个电池单元的电压和电流测量，支持温度测量

• ±1.6 mV 电压精度

• 模拟电池的短路和开路状态

• 电源工作范围: 8 V to 30 V

• 工作温度范围: −40°C to +105°C

AD7280A

AD7280A内置对混合动力电动汽车、电池备用应用和电动工具所用叠层锂离子电池进行通用监控所需的全部功能。

该器件具有多路复用电池电压和辅助ADC测量通道，可用于最多6个电池的电池管理。同时提供±3 ppm内部基准电压，使电池电压精度可达±1.6 mV。ADC分辨率为12位，转换48个单元只需7 μs时间。

AD7280A采用单VDD电源供电，电源电压范围为8 V至30 V（绝对最大额定值为33 V）。该器件提供六个差分模拟输入通道，以处理整个VDD范围内的大共模信号。各通道允许的输入信号范围（VIN(+)至VIN(?)）为1 V至5 V。输入引脚可接受六个串联叠置的电池。此外器件内置六个辅助ADC输入通道，可用于温度测量或系统诊断。

AD7280A内置片内寄存器，可根据应用要求对通道测量的时序进行编程。

另外还内置动态提醒功能，可检测电池电压或辅展开助ADC输入是否超出用户定义的上限或下限。AD7280A具有电池平衡接口输出，用来控制外部FET晶体管，允许各电池放电。

AD7280A内置的自测功能可在内部将一个已知电压施加于ADC输入。

利用菊花链接口，最多可将八个器件堆叠起来，而无需单独的器件隔离。

AD7280A仅需一个电源引脚，正常工作条件下的功耗为6.5 mA，转换速率为1 MSPS。

所有这些功能全都集成于48引脚LQFP封装之内，工作温度范围为?40°C至+105°C。

AD7280A应用

锂离子电池监控

电动和混合动力汽车

备用电源

AD7280A特性

12位ADC，转换时间：1us通道

6个模拟输入通道，共模范围：0.5 V至27.5 V

6个辅助ADC输入

片内电压调节器

电池平衡接口

菊花链接口

高输入阻抗

内置报警功能的串行接口

1个SPI接口，可用于多达48个通道

读写命令具有CRC保护

片内寄存器可用于通道时序控制

VDD工作电压：8 V至30 V

温度范围：-40°C至+105°C

48引脚LQFP

通过汽车应用认证

锂电池管理系统

锂离子电池研究始于20世纪 80年代，1991年由索尼公司首先推出了民用产品。由于具备能量密度高、体积小、无记忆效应、循环寿命高、自放电率低等诸多优点，锂离子电池目前广泛应用于手机、MP3、笔记本电脑、相机等各种便携式设备。尤其在笔记本供电方面，其优异的高能量优势更是发挥得淋漓尽致。

但是由于能量密度高及特有的化学特性，锂离子电池的安全性和稳定性方面亦存在隐患，如过高温和过充可能会燃烧甚至导致爆炸，过放电可能造成电池本身的损坏。近年来，连续出现的笔记本电脑电池爆炸燃烧事故，导致了全球性的大批量电池召回现象，给生产厂家带来了巨大的经济损失。

为保证电池使用的安全性，在提高电池本身材料性能及加强工艺控制的同时，智能电池管理系统也成为锂离子电池应用研究的重中之重。

智能电池管理系统简介

锂离子电池发展初期，电池管理系统一般只具有检测电池组电压、温度、电流及简单保护等功能。随着锂离子电池应用范围越来越广，应用方式越来越多，对锂离子电池管理系统的要求也越来越高。

智能电池管理系统一般具有如下几个功能：电池组参数采集、剩余电量计算、电池组故障保护、电芯均衡、通信等。

电池组参数采集

电池组参数采集主要包括电池组中单体电池电压、系统电流、系统温度的采集，该参数可用于判定电池的剩余电量、故障保护等。

锂离子电池的电压最能体现电池的性能状态，既可以用于过充、过放等故障保护，也可以用于初步估计锂离子电池的剩余电量。系统电流可用于判断是否出现过放或过流，还可以通过对电流与时间的积分，估计电池的剩余电量等。系统温度主要用于防止电池组温度过高，发生安全事故，并对剩余容量计算进行补偿。

电池管理系统的所有算法及保护都是以采集到的电池参数为基础的，因此必须保证数据的精确度。

剩余电量预测

剩余电量是反映电池性能的重要参数，也是主机进行充电、放电的判断依据。剩余电量的准确估算可以保护电池，防止过充、过放的发生，便于客户做出合理的时间安排。当前，剩余电量的检测方式主要有开路电压法、库仑积分法、内阻法、卡尔曼滤波法、混合法等。

开路电压法是目前最简单的方法，根据电池的特性得知，在电池容量与开路电压之间存在一定的函数关系，当得知开路电压时，可以初步估算电池的剩余电量。该方法精度不高，且只适用于静态检测，无法直接用于真实应用。

内阻法利用电池内阻和剩余电量的对应关系，来判定系统的剩余电量。由于锂离子电池组的内阻随工作状态变化明显，不同特性的电芯之间也有差异，该方法的重点是如何能够快速得到当前应用条件下电芯的内阻。如果可以快速进行内阻的自我测量，则可以得到相对准确的剩余容量。

库仑积分法是通过计算电池组电流与时间的积分，计算锂离子电池组充入和放出的电量，再与电池的额定电量比较，从而得出当前的剩余电量。该方法简单、稳定，但必须对电流测量非常准确，否则会出现积累误差。另外，锂离子电池的自放电以及在低温和大电流下其放电效率会变低，都会进一步降低了剩余电量的检测精度。库仑积分法必须定期进行校正。

卡尔曼滤波法是指采用卡尔曼滤波算法，综合考虑电池组循环变化、电池老化、温度等影响，进而得到精准的剩余电量。该算法相对而言最精准，但是算法复杂，又需要足够的实验数据，暂未得到具体的应用。

混合法是指通过内阻法/开路电压法与库仑积分法相结合的方式，通过开路电压法/内阻法的定期校正，使用库仑积分法得到精准的剩余电量。该方法是目前使用最广泛的方式。

电池组故障保护

在使用锂离子电池时，必须提供电池组故障保护，过热或过充均可能引起火灾或爆炸。智能电池管理系统可分为一级保护和二级保护。

一级保护检测电池组的电流、电压和温度及剩余电量，判断电池组是否发生了过充、过放、过温、过流和短路等不安全状态，并适时关闭电池组，以避免对电池组造成损坏。二级保护可以在一级保护失效的情况下提供后备保护，熔断保险丝，永久关闭电池组，防止电池在不安全状况下继续充放电。

电芯均衡

由于锂离子电池的制作工艺限制，以及使用过程中温度、放电率等对电池的影响，电池组中各个单体电池之间存在电压、内阻和容量等差异，而且电池组经过多次循环之后差异会变得更加明显，导致电池组的使用寿命比单体平均寿命短很多。同时对锂离子电池而言，由于其对充放电要求很高，当过充、过放、过流及短路等情况发生时，锂离子电池内热量大量增加，容易发生火花、燃烧甚至爆炸。为确保安全性和稳定性，必须采取均衡措施。

目前锂离子电池均衡管理的方法可以分为耗能式和非耗能式。耗能式是将电池组中电压较高的电池释放一部分能量，使其与其他电池保持一致;非耗能式是在单体电池之间或单体电池与整个电池组之间进行能量转移。

耗能式是通过给单体电池并联一个功率电阻和一个开关进行分流，将电池组中电压高的单体电池多余的能量释放，达到电池组电压均衡。该方法简单、稳定，缺点是存在能量浪费、均衡时间长和散热等问题，一般只用于充电状态下的均衡。

非耗能式一般是使用储能元件转移能量使电池组电压保持一致，该方法均衡电流大、均衡效率高，但是电路复杂、控制复杂。一般可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡。

能量转换式均衡是通过反激转换器由锂离子电池组整体向单体电池进行补充或由单体电池向电池组进行补充，该转换可以在某电池电压高于阈值时将其能量转换到电池组，也可以在某电池电压低于阈值时从电池组转换到该电池。

能量转移式是通过电容或电感把能量从电压高的电池转移到电压低的电池，从而达到均衡。该方法的缺点是控制复杂，无法用于数量多的电池组，均衡时间比较长。

通信

智能管理系统需对外提供SMBus通信功能，以方便主机读取转换数据和状态信息，并可以根据主机需要对智能电池管理系统进行控制。

智能电池管理发展技术趋势

目前，智能电池管理技术仍然存在着一定方面的不足，未来的改进可能主要表现在如下几 个方面：

1) 均衡方式待改进，均衡方式向非耗能式变化，提高均衡效率

2) 电池容量监控不够准确，无法针对不同电池组做差异化的充放电管理

3) 减少管理系统能耗，提高能量利用率

4) 系统集成度待进一步提高，降低系统复杂度

随着锂离子电池应用的不断扩大，对其管理技术的要求也愈加提高，相信不断会有新的竞 争者加入，智能电池管理技术也会得到更大发展。中颖电子智能电池管理系统简介 基于以上对智能电池管理系统的认识，中颖电子股份有限公司推出了专为笔记本电脑电池设计的智能电池管理芯片 SH366000 和为智能电池管理系统设计的专用 MCU SH79F329。

SH366000 是中颖电子专为笔记本电池推出的一颗智能电池管理芯片，其通讯协议兼容 SMBus1.1，符合智能电池指令集 SBData1.1 规范;适用于 2~4 节锂离子及锂聚合物电池组; 能够准确计算出电池组的满充容量、剩余容量，以及电池的可运行时间和充电完成所需时间;提 供电压、电流、温度监控功能，提供软硬件保护;提供电池平衡功能，延长电池寿命;其 BOM 基本兼容当前主流方案。欲了解详细的 IC 信息，请访问 www.sinowealth.com.

SH79F329 是中颖电子推出的一颗采用 40V 高压制程的智能电池管理专用 MCU，已成功 开发出 2~5 节电动工具方案和 6~16 节电动自行车方案，其能够准确计算电池组剩余电量和剩余 工作时间;提供电池平衡功能及电压、电流、温度保护功能;提供超低功耗待机模式。