15通道锂电池管理模块

应用简介

48V及以下电压的锂电池单元在微混动汽车和工业储能中的应用率很高。系统由13至15个锂电池单体构成。由于锂电池固有特性，需要对该数量的电池单体进行精确监测，以保障系统安全性并提高电池效率和寿命。

本参考设计实现了对15个锂电池单体的电压和温度监测，在保证信号监测精度的同时，提供了主监测电路和次级监测电路的架构，实现更高级别的系统保护。

同时，本参考设计提供了模块化可扩展的板级架构，除主监测电路模块、次级监测电路模块、数据接口模块外，可扩展主动均衡电路等其他模块，方便系统原型开发。

本参考设计中采用的主要芯片有：

• AD7280A 6通道锂电池电压温度主监测芯片
• AD8280 6通道锂电池电压温度次级监测芯片
• ADuM5401 包含500mW供电隔离和4通道数据隔离的集成芯片
• ADuM1201 2通道数据隔离芯片
• ADuC7026 ARM7架构32-bit微处理器
• AD8601 低成本高精度运算放大器

系统设计考虑因素

效率：

笔记本电脑、手机和类似便携设备中锂离子电池的容量通常很小，典型值是数安时。但是，用于车辆或储能的锂离子电池容量则高得多，通常在数十甚至数百安时左右。用于小容量电池的线性测试设备，如果也用于高容量电池测试，在充电阶段将会消耗大量功率，导致效率低下，而且会给设备硬件设计带来相当严重的热问题。ADI AD8450/1和ADP1972解决方案基于PWM架构，有助于解决这一问题。

ADI PWM架构还能帮助把更多电池能量送回电网或其他测试通道进行充电。与将电池能量放电至阻性负载的线性架构相比，这是一种环保且高效的解决方案。

精度：

为了获得准确的锂离子电池容量，需要精确测量充电和放电两种模式下的电流和电压。结合系统中的精密ADC、DAC和其他器件，ADI公司基于AD8450/1和ADP1972的解决方案可实现高精度测量和设定。

低系统成本：

• 更高的开关频率支持使用尺寸更小、价格更低的功率元件，如电感和电容等
• 能源回收利用有助于降低运营成本
• AD8450/1精度更高，可降低热管理成本，简化控制环路设计
• AD8450/1采用独特的仪表放大器设计，制造过程中的校准时间可缩短一半，性能保证时间可更长
• 集成解决方案使得系统尺寸更小，设备和维护成本更低

ADI解决方案

系统框图：

下面是从直流母线到电池的系统框图，包括微控制器、模拟前端和控制器、PWM控制器、高压MOSFET驱动器、功率级(MOSFET、电感、 电容、分流电阻)、电压/电流读取(ADC)以及电压/电流设置(DAC)。

注释：上述信号链代表从直流母线到电池的通道板设计。模块的技术要求可变化，但下表列出的产品代表满足部分要求的ADI 解决方案。

AD8450/AD8451ADP1972

系统工作原理：

上图主要包含两个功能：一是对电池充电，二是对电池放电，这由AD8450/1和ADP1972的模式信号决定。每个功能有两种模式：恒流(CC)模式和恒压(CV)模式。两个DAC通道控制CC和CV设定点。CC设定点决定充电和放电两个功能的CC模式下环路中有多少电流。CV设定点决定环路从CC进入CV时的电池电位，同样适用于充电和放电两个功能。

精密模拟前端和控制器AD8450/1利用内部差动放大器PGDA测量电池电压，并利用内部仪表放大器PGIA和外部分流电阻(RS)测量电池上的电流。然后，它通过内部误差放大器和外部补偿网络(用于确定环路功能是CC还是CV)，将该电流和电压与DAC设定点相比较。在该模块之后，误差放大器的输出进入PWM控制器ADP1972，以确定MOSFET功率级的占空比。最后是构成完整环路的电感和电容。本部分的说明针对充电和放电两个功能，因为ADP1972是降压和升压PWM控制器。

本方案中，ADC获得环路电压和电流的读数，但它不是控制环路的一部分。扫描速率与控制环路的性能无关，因此一个ADC就能测量多通道系统中大量通道的电流和电压。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC来设置多个通道。此外，单个处理器只需控制CV和CC设定点、工作模式及管理功能，因而它可以与许多通道接口。

系统性能：

ADI公司制作了ADP1972和AD8450演示板如下图，可以用来验证其效率和精度。对于该异步降压和升压电源系统，直流母线输入为12 V，最大充电/放电电流为20 A。

效率：

在最大额定值、20 A CC模式(充电和放电功能均如此)及3.3 V负载条件下，演示板的效率约为90%。为实现这一数值，体外二极管、分流电阻、电感和MOSFET均经过优化。

精度：

校准初始精度之后，电流的精度包括温漂、全电流范围(0 A至20 A)内的线性度、短期稳定性(噪声)和全电压范围(0 V至3.6 V)内的CMRR。在演示板上验证的结果是，该ADI解决方案的典型电流精度为0.01%以下(25°C ± 10°C)。对电压精度可以进行类似的分析，经过此演示板验证，它同样在0.01%以下。