EV科普：电池参数采集板硬件电路设计

2016-07-13 12:47:24 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

1 电池传感器芯片的选型与简介

早期的电池参数采集电路一般由很多分立的电子元器件组成，系统的可靠性差，采集精度低，并且电路相对复杂，抗干扰性能差，功耗也较高。随着电子技术的飞速发展，目前很多半导体器件生产商已经设计并生产出大量可用于实时监控电池状态信息的集成传感器芯片，这类芯片针对性强、性价比高并且使用方便，从很大程度上提高了系统开发者的工作效率。本系统中使用了ADI公司最新出品的一款车用集成精密电池传感器芯片ADuC7039作为各个电池包参数的采集及预处理单元，其功能结构框图如图所示。

ADuC7039是一款适合在复杂工作条件下进行电池监测的智能传感器芯片，该芯片可对汽车上使用的端电压在4V~18V之间的电池相关参数（温度、电压和电流等）进行精确的智能监控和诊断。其主要性能特点如下：

① 高精度ADC：片内 5ppm/°C基准电压源，ADC吞吐量为10Hz至1KHz，可实现双通道、同步采样，拥有16位Σ-Δ型ADC功能；

② 电流通道：可编程增益，全差分、缓冲输入，内置数字比较器；ADC输入范围为?200mV至+300mV；

③ 电压通道：片内缓冲、衰减器，适用于12V电池输入，可测量电压范围为4V至18V；

④ 温度通道：片外和片内温度传感器方案双重选择；

⑤ 微控制器：ARM7TDMI-S内核、16位/32位RISC架构、20.48MHz的PLL（锁相环），集成片内精密振荡器；

⑥ 存储器：64kB Flash/EE 存储器选项，4kB SRAM；Flash/EE耐久性为10,000个周期，数据保持时间最长20年；

⑦ 支持代码下载和调试的JTAG端口，可通过LIN在线下载程序；

⑧ 片内外设：5个GPIO 端口，一路SPI通信端口，SAEJ2602/LIN 2.1 兼容从机，1个通用定时器和1个看门狗定时器；

⑨ 使用3.5V至18V电源直接供电，额定工作温度范围为?40°C至+115°C，通过汽车级应用认证。

2 电池参数采集板的电源电路

因为ADuC7039可以使用4V至18V的待测电压进行直接供电，因此不需要再外接供电电源。本文设计的采集板电源电路如下图所示，电池包的端电压从接插件CON1_1输入，输入后的电压分成两路，一路直接提供给ADuC7039相应端口进行电压采集，另一路经过单通二极管D5和RC滤波元件后为ADuC7039提供工作电压。电阻R7是为了将采集板中的数字地与模拟地进行电气隔离，以减小它们之间的电磁干扰。

3 电池参数采集子系统电路

该车型的动力电池组包含六个电池包，每个电池包配备了一块电池参数采集板，各采集板中尽管只有6号采集板负责电池组总电流的采集，但是本文为了提高它们之间的通用性和可替换性，本文设计的ADuC7039采集板硬件电路保持一致，具体电路原理图如下图所示。

此电路图可按功能模块依次分为：ADuC7039最小系统电路（含复位电路、片内标称电压输出电路以及JTAG接口电路）、电池参数采集电路（即温度采集电路、电压采集电路和电流采集电路）和数据通信接口电路（即SPI通信电路和LIN 通信电路）。

ADuC7039最小系统电路是ADuC7039芯片正常工作所必需的基本电路，有以下三个特点：

① 由于ADuC7039内部集成了片内精密振荡器，因此无需外接晶振电路；

② 片内标称电压输出电路分为片内标称2.6V数字输出和片内标称2.6V 模拟输出（即电路图顶部的REG_DVDD输出与REG_AVDD输出），它们是由ADuC7039 内部集成的两个片内低压差调节器LDO在电池电压直接驱动下产生的内部电源，这两个电源即作为ARM7 MCU和片内精密模拟电路的电源，也是外设的电源，REG_DVDD上串联的开关和发光二极管可以方便用户随时检测ADuC7039 是否正常工作；

③ ADuC7039的在线程序下载和调试接口为目前在ARM内核系列芯片中应用普遍的JTAG接口，此类接口包括10pin、14pin和20pin三种不同型号，本文根据ADuC7039芯片端口配置为20pin的型号，电路中的开关S_NTRSTS1的作用是为后期系统需要配置LIN通信接口来下载程序时须断开上拉电阻。

由于电池参数采集电路要负责对电池包的温度、端电压和电池组总电流的实时监测，因此这部门的电路设计要求较高。其中，ADuC7039的温度采集通道为用户提供了两种选择：一是使用ADuC7039片内集成的温度传感器，二是通过用户外接的热敏电阻输入等效电压，可弥补芯片内置温度传感器监测结果不够准确的不足。本文优先选择后者，这样可以将热敏电阻紧贴电池体，使得测量结果更切合实际。在温度采集电路中，所选用的热敏电阻类型为NTC型（负温度系数型），标称值为100K，温度与阻值关系曲线由厂家提供。在电路中同时串联了一个精密电阻Rm1，他们之间通过分压的方式获取温度关联电压，即当环境温度升高时，阻值下降，所分得的电压值减小，反之增大。

电压采集电路的设计相对简单，本文在其电压输入端接入了一个1MΩ的滑动变阻器的原因，是可以根据滑动变阻器能实现按比例分压的原理增大采集板的电压测量范围，可以很方便地调节待测电压的输入比例，从而拓展该系统的使用范围。

电流采集电路使用阻值为1mΩ的精密SHUNT（分流器），在电池组干路中通过分压原理给采集板输入相应的信号。为了抑制主干路上的电磁干扰信号，从SHUNT两端输入采集板的信号还需要经过由R25、R26、C17、C18和C19组成的滤波电路后才能被ADuC7039芯片使用。