锂离子电池组监控系统研究与实现 — 系统硬件设计

　　3.3.3电流采集电路

　　电流采集对于判断是否需要短路保护是非常重要的一个参数。因此，我们需要实现对电流精确测量。

　　在这里，我们选用MAX4081作为检测芯片。该芯片输入电压范围4.5V至76V，非常适合于需要严密监视高压电流的系统[41]，因此可以直接用电池组的最高电压作为其供电电源。另外，芯片的参考电压由系统提供，参考电压值为1.5V.该芯片的引脚OUT输出电压与参考电压、RS-和RS+三个引脚的电压状态有关。当RS-端电压高于RS+端电压，OUT引脚输出电压低于参考电压;当RS-端电压低于RS+端电压，OUT引脚输出电压高于参考电压。

　　本电路的设计思路是首先在电池正极和保护器电路板之间串接一个分流器，RS-和RS+引脚分别接分流器两端电压。当回路没有电流时，OUT引脚输出电压为参考电压;电池放电时，OUT引脚输出电压低于参考电压，最低可输出0V;对电池充电时，OUT引脚输出电压高于参考电压。检测电路如图3.22所示。

　　3.3.4温度采集电路温度检测确保了安全充电步骤的执行。由于本系统对温度信号的精度要求不高，因此系统采用100K的热敏电阻和1%精度的电阻分压进行温度检测，共设计了四路温度采集电路，每路的电压信号直接进入单片机的AD通道进行转换。温度采集电路如图3.23所示。

　　3.4均衡及保护电路设计

　　3.4.1保护电路设计

　　在第一章里我们就已经介绍过了，锂离子电池在使用过程中，如果出现过充、过放或者短路的情况，会对锂离子电池的容量和寿命产生很严重的影响，甚至会产生安全问题。因此，保护电路的设计是电池组监控管理系统中最重要的一环。

　　电池组监控管理系统在使用中主要依据单体电池的电压、电流值和电池组的温度值进行判断，根据判断结果看是否启动相应的保护。其保护电路应当具备以下几个功能：

　　⑴过充保护：锂电池在充电过程中如果充电电压超过4.2V，会对电池造成损害。

　　⑵过放保护：锂电池在放电过程中如果充电电压低于2.7V，会对电池造成损害。

　　⑶短路保护：用来保证电池在移动时的安全以及电池组的正常工作。

　　⑷过温保护：由于本系统采用能量消耗型均衡法，因此系统电路板和电池组温度会较高，需要过温保护。

　　锂电池组保护电路主要由短路保护信号检测电路、中断控制信号判断电路、充放电驱动控制电路等组成。

　　⒈短路保护电路

　　电池组在移动和放电时，需要进行短路保护。短路保护电路主要由负载端电压取样电路、比较电路和1V的基准电压电路组成，其实质是由外部中断通知单片机电池组需要进行短路保护，单片机在中断程序中启动短路保护，切断主回路。

　　1V的基准电压电路在前面已经作了介绍。在这里，首先介绍一下负载端电压取样电路。电池在放电时，放电电流在经过串联的MOSFET管时，由于MOSFET管的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，这时负载的负端P-应该电压很低。当电池组或负载出现异常使回路电流增大到一定值时，P-端的电压将会迅速上升，因此二极管D4将会导通，通过电阻分压得到一定电压，该电压信号与1V的基准电压进行比较得到一个脉冲信号作为单片机的外部中断信号。短路保护电路如图3.24所示。

　　⒉过充/过放电保护控制电路

　　除了短路保护外，电池组监控管理系统中还需有过充、过放保护电路。锂电池组的充电方式选用的是恒流转恒压的方式，当电池出现过充、过放现象时可以及时的切断充放电回路。

　　过充保护控制的基本思路是：当通过电压检测电路检测到电池电压达到4.25V±0.05V时，MCU的控制信号CHARGE输出低电平使三极管Q18截止，使充电回路关断，起到过充电保护作用;相反，当电池电压低于4.0V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q18导通，使充电回路导通。其保护电路图如图3.25所示，其中P+为充电时充电机输出的正极。

　　过放保护控制的基本思路是：在电池放电过程中，当通过电压检测电路检测到电池电压达到2.7V±0.08V时，MCU的控制信号DISCHG输出低电平使三极管Q17截止，使放电回路关断，起到过放电保护作用;相反，当电池电压高于2.9V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q17导通，使放电回路导通。其保护电路图如图3.25所示，其中B+为放电时电池组输出的正极。但是需要注意的是，在前面介绍了系统电源是从电池组最大电压转换而来的。当电池处于过放情况下，不可能再对系统提供大电流。因此要求过放保护电路处于低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1uA.

　　3.4.2均衡电路设计

　　在前面我们已经介绍过了，锂离子电池在串联使用时，对锂电池组进行充电中，单体锂离子电池之间会出现不均衡的问题，时间长了会导致电池组中各单体电池容量的不一致，这样势必会影响锂离子电池的使用寿命。为了保证电池组中各单体电池的一致性，我们需要设计均衡保护电路。

　　本系统采用的是能量损耗型均衡方法。判断方法是当电池组中某节电池单体电压超过电池组平均电压值0.2V时，我们认为电池组处于不均衡状态，应当启动均衡保护，打开旁路开关，通过分流电阻释放能量。

　　均衡电路是保证串联各电池电压一致性的根本，从而也关系到电池使用寿命的长短。在充电状态下，若检测到某节电压高于电池组平均单节电压时，由单片机I/O口输出高电平，从而使驱动三极管导通，相应节电池正极的电压将对地形成回路，并在两只电阻上形成分压，从而使得均衡电路的PMOS开关导通，并在功率电阻上形成分流，系统采用12欧姆/5瓦的功率电阻，因此均衡电流可达300mA左右，同时和功率电阻并联的LED指示灯会被点亮，说明该节电池处于被均衡的状态。每节电池的均衡电路都是按照如图3.26所示的电路并联在电池正负极之间的。

　　3.5串行通信电路

　　串行通信电路用来与上位机进行通信，实现参数设置和数据上传。芯片MAX232的电源通过跳线来确定是否供电，因此在不需要与上位机通信时，可将其电源断开，从而降低系统功耗。如图3.27所示。

　　3.6小结

　　在本章中，我们根据系统要求，首先提出了对电池组进行监控管理的总体方案。然后根据系统的性能和功能要求，完成了对单片机的选型以及信号采集电路和保护电路的方案选择。最后根据电路设计方案分别对各个电路进行了详细的分析和阐述。系统的硬件设计是软件设计的基础，为软件设计搭建了平台。

　　该系统的硬件电路已经完成了PCB板的制作。绘制硬件电路的过程是一个学习的过程。在这个过程中，我们需要充分考虑各方面的因素，例如电源与地、模拟与数字以及电路的抗干扰能力等。任何一个因素都可能会对系统的正常运行产生很大的影响，需要不断优化布局布线。另外，该硬件电路除了应当能满足系统的功能要求外，还需要有一定的扩展能力，这些都是在设计过程中需要解决的问题。在设计的过程中还出现了单片机不能正常工作的情况，经过检测，发现是由于晶振的设置不对。总之，在硬件设计的过程中， 可以学到了很多知识，将理论与实践逐渐结合起来，为今后的硬件开发打下了基础。