青岛科技大学自动化毕业论文

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

1 绪论

1.1 锂离子电池监控系统概述

锂离子电池是一种新能源，它具有很多优点，例如：放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，无记忆效应，体积小，重量轻及无公害等。因此，从 20 世纪 90 年代开始，人们对它进行了大量的研究和生产，现在已经逐渐取代了铅酸蓄电池、镍镉蓄电池。锂离子电池的应用领域也非常广泛，例如笔记本电脑、通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动自行车以及电动汽车等装置中都采用它作为其动力能源。但是，在使用时，锂离子电池也有其自身的缺点。 1.1.1锂电池目前存在的问题

（1）锂离子电池在充电时，正极中的锂离子溶出太多回不到原来的状态，致使电池放电时锂离子不能填充到正极的通道。表现为电池充电充不进去造成永久性破坏。

（2）锂离子电池放电放到终点时，内部物质就会发生质变，即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落，下次充电时，没有锂离子的负极石墨层就不能保证回路通畅，所以要采取措施控制放电电压的大小；

（3）如果不慎使电池短路或者充放电电流过大，会使电池内部温度过高而耗损能量，这样会缩短放电时间。 1.1.2锂电池监控系统要解决的关键问题

由于上面一些问题的困扰，锂离子电池的监控管理成为推动锂离子电池发展的关键技术之一。本系统通过对锂离子电池组的电压、电流和温度信号的检测和判断，来实现对电池组充放电过程中所出现的过充、过放、短路以及均衡现象进行保护，并且采用模糊控制方法来实现对电池故障的诊断。从当前的情况来看，本系统关键需要解决以下两个问题：

（1）通过信号检测电路采集到电压、电流和温度参数后，如何根据这些参数和充放电过程中的一些历史数据，建立故障诊断的模糊控制规则，即模糊控制故障诊断技术。

（2）锂离子电池组在充放电的过程中容易出现单体电池间不均衡现象，这种情况会大大影响锂离子电池的使用寿命，因此均衡充电技术是本系统需要致

1

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

力研究的另一项关键技术。

1.2 系统的国内外现状及几种常用方案

1.2.1 系统的国外现状

在过去的 20 年里，国外对锂离子电池组的监控管理系统进行了广泛和深入的研究。这些研究都是为了确保锂离子电池能够正常稳定的工作。尤其是在近十几年里，随着电动汽车的出现，国外一些大的汽车生产商和电池生产商针对锂离子电池做了大量的研究和实验，成功研发了多种锂离子电池组管理系统。例如：

（1）BADICHEQ系统。

德国的Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff经过大量的实验，在 1991年设计了BADICHEQ 系统，该系统能够同时进行多个电压测量（最多20 个），另外可以对电流和温度进行测量，可以控制充电机的充电电流，可以储存历史数据，可以实现单体电池的均衡充电，具有仪表盘显示功能，可以显示电池单元的剩余电量以及各种异常报警，可以与 PC 机进行数据通信。

（2）BATTMAN系统。该系统是德国B.Hauck设计的。该系统可以实现对不同型号电池组的管理，将不同型号电池组做成一个系统，然后通过硬件和软件两方面来选择。在硬件方面，通过改变硬件的跳线；在软件方面，通过增加选择参数的办法。

（3）电动汽车EV1上的电池管理系统。

该系统是美国通用汽车公司生产的。该系统最大的优点就是电池组的可靠性非常高。该系统由四部分组成：电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）；软件BPM（Battery Pack Module）；电池组热系统；电池组高压断电保护装置（High VoltageDisconnect）。软件BPM主要完成以下工作：单体电池电压检测、高压保护功能、六路温度采样、电流采样、电池组充电控制、过放保护以及电量估计等。

（4）BatOpt系统。

该系统是由美国AC Propulsion公司开发的。在该系统中，每个电池上都装有监控模块，监控模块经过two_wire总线和中心控制单元通信，向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元接收到上述信息后，发出相应的控制命令，这样就构成了一个分布式系统。

2

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

1.2.2 系统的国内现状

相对于国外来说，国内的锂离子电池组监控管理系统主要是由高校与一些汽车生产商和电池供应商联合起来共同研发的，高校拥有自己的科技优势，经过多年的努力，研发了许多可靠的电池管理系统并已经投入使用。

（1）EV-6580 轻型电动客车配套的电池管理系统 [27]。该系统是由清华大学研发的。该系统可以实时测量和监控电池的充放电电流、电压等参数，同时提供了过充、过放保护，这样就大大提高了电池寿命，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。

（2）同济大学研发的锂离子电池管理系统该系统是同济大学与北京星恒电池有限公司合作研发的。该系统的主要功能有：电压、电流和温度的精确采集，电池电量估计，均衡保护，事故处理与记录等。

（3）北京理工大学研制的电池管理系统该系统是专门为电动汽车上的电池开发的。该系统采用单片机作为微处理器，具有以下功能：可以实时检测电池电量、电池组总电压、总电流和各单体电池电压以及电池组温度等各种运行参数；具有故障诊断和报警功能；采用分布式网络控制系统结构，系统参数送入 PC 机，在 PC 机中进行标定后，再通过 CAN 总线与其他系统进行通信，实现信息共享。系统已经投入安装使用，结果表明该系统大大延长了电池组的寿命，提高了电动车的运行效率，当故障产生后能够及时发现进行处理，同时能够精确的估计电池组的剩余电量，提高了电动车的可靠性。 1.2.3 锂离子电池保护的常用方案

从前面的介绍中，我们可以看到，在锂离子电池组的使用过程中，锂离子电池易受到过充、过放的影响，大大减少锂离子电池的使用寿命。因此，锂离子电池组的保护电路是非常重要的。锂离子电池组保护电路首先应当具有对锂离子电池组的过充保护、过放保护、均衡保护功能。在目前来说，常用的锂离子电池管理方法主要有两种：

（1）采用专用芯片的锂电池管理系统。在常见的便携式设备中，通常使用容量较小的锂电池。首先，考虑的便携式设备的需求，通常要求系统的保护电路也尽可能小。其次，考虑到电池容量也相对较小，不需要过度考虑系统的均衡及保护问题。通常使用专用管理芯片并配合外围电路即可实现简单的电池充放电管理及保护功能。

（2）基于监测的锂电池管理系统。在大容量的锂电池应用系统中，专用的

3

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

锂电池管理芯片已不能满足需要，需要采用采用微控制器来实现系统管理。我们通过信号采集电路采集电池组的各种数据，然后将这些数据送入微控制器进行分析，根据分析结果来判断电池组中各个电池的工作状态好坏，依据系统的硬件和软件设计，对锂电池组进行智能化管理保护，从而实现对锂电池电能的有效利用和延长电池寿命的目的。本课题是针对 16 节锂离子电池组进行均衡保护设计的，而专用芯片最多只能实现对 13 节电池的保护，因此，如果采用专用芯片保护，那么至少需要 2 个专用芯片才能实现，提高了系统的成本。另外，采用专用芯片的话，锂电池组的电池个数将固定，这样系统的灵活性较低。综合多方面的考虑，本课题采用基于微控制器锂离子电池监控系统的方案，微控制器选用低功耗的 MSP430 单片机。

1.3 课题意义及主要研究内容

锂电池是 20 世纪末才出现的绿色高效能可充电电池，目前随着锂离子电池的推广及大量应用，锂离子电池深受社会和用户的欢迎。日常生活中，人们所用的手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备均已使用锂离子电池作为电源。当前，随着各式各样的电池出现，用户在选用电池时，在考虑到电池的环保、性价比的同时，更加注重电池的便携性。正因为锂离子电池具有高的体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术的发展趋势。据权威部门预测，我国锂电池行业的年增长率将超过 20%，2016 年电池总体需求量将达到50 亿块左右。可见，在当前和今后相当一段时间，锂电池将称为我国电池工业的龙头。由此可见，研究锂电池的管理系统显得尤为重要，是锂电池进一步推广的一个关键因素之一。

本系统的主要功能包括锂离子电池的充放电保护、单体电池的均衡保护、及软件设计和测试等几个方面。本论文的主要内容首先简要介绍锂电池监控系统及其保护电路的现状和当前的保护方案。然后分析电池特性、电量管理、及锂离子电池的采取均衡措施的原因及常用方法。其次详细介绍了本文设计的锂离子电池监控系统的硬件总体方案，并详细介绍了各模块的硬件电路设计。再次详细介绍了系统的下位机软件设计流程及系统各模块的软件设计方法。最后在系统软硬件设计完成后，对系统进行了测试，重点是对保护电路、采集精度的测试。

4

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

2 锂离子电池监控系统基础研究

2.1 锂离子电池技术

锂是世界最轻的金属，是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，它所构成的电池具有非常多的优点：

（1）高容量，高密度。锂电池的输出电压近4V，是单节镍镉、镍氢电池的3倍，能够比镍氢电池存储更多的能量。

（2）尺寸小，重量轻。

（3）无记忆效应。锂电池不需要定期放电，不管残余电量多少，都可以进行充电，非常方便。

（4）自放电率小，循环寿命长。.锂电池自放电率为每月2%~5%，而镍镉，镍氢等电池自放电率达到20%。

（5）充放电寿命长。经过500次重复充放电后，其容量至少相当于新电池的70%以上。锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成污染，虽然目前价格比较贵，随着技术进步以及生产规模的扩大，仍有较大降价空间。

锂电池是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。

但是锂电池也有其自身的缺点，锂电池在使用过程中，易受到过充、过放和短路等现象的影响，从而产生损害。其电池的充电电压必须进行严格限制。最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用大电流充电至4.2V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态，因此锂电池需使用专用的充电器。另外，锂电池价格比较昂贵，影响锂电池的应用。

2.2 锂离子电池特性

2.2.1 锂电池充电特性

5

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为: （1）多变量

影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响[15]。

（2）非线性

在电池充电的过程中，一般不能只用简单恒流或恒压充电方式，因为充电电流在充电过程中会出现非线性变化，其电流值会随充电时间呈指数规律下降。

（3）复杂的电化学性

经过多次的充放电后，电池的充放电能力将出现很大的不同，电池的容量将会不一致，即使是同一类型的电池也是一样[26]。

针对以前这些复杂的现象，在目前，提出了一种有效的充电方式—恒流转恒压的充电方式。当电池容量比较低时，该充电方式首先采用恒流充电，例如额定容量为2000mah的电池充电，采用2A电流充电，大概40分钟电池电压就能上升到设定值（4.2V），然后转入恒压方式充电，就是电压维持4.2V，这时充电电流会迅速下降。在恒压充电期间，对电压精度的要求很高，必须维持在4.2V±42mV的范围内，也就是说误差不能超过1%。如果不控制电压值，使电压上升到4.5V的话，会对锂电池造成永久性的损害。在这个期间，充电电流也会逐渐减小到一个范围，以小电流继续对电池充电，最后使电池容量达到额定值。这个过程大概持续80分钟就能充满。如果采用1A电流充电，大概100分钟电池电压上升到4.2V，约2.5小时充满电。选择的充电电流不同，但是都能充满，就是花费时间长短问题。恒流转恒压的充电方式能使电池达到满充状态，并且不损害电池，大大提高了电池的使用寿命和效率，目前成为锂电池最主要的一种充电方式。 2.2.2 锂电池放电特性

锂电池放电只需要注意很少几点，放电电流不能过大，当锂电池的放电速率超过2C时（C为电池的容量），会使锂电池的温度急剧升高，从而严重发热，会对锂电池的内部造成损坏，影响其使用寿命。其次就是过放，锂电池最怕过放，一般放电电压低于2.7V将可能导致电池报废。 2.2.3 最佳工作温度

环境温度对锂电池的容量有很大的影响。虽然锂电池的使用温度范围可以在-20℃~60℃之间，但是当温度过低或过高都会影响到锂电池的放电容量。实

6

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

验表明：当放电速率为0.2C时，环境温度为25℃时，可放出额定容量；当环境温度为-10℃时，电池容量下降约5%，当环境温度为-20℃时，电池容量下降约10%。由此可见，环境温度为25摄氏度时，是锂电池的理想工作温度，在这个温度下，电池能发挥它的最大性能。 2.2.4 自放电率

所有电池在开路的情况下会出现正负极自放电，这会使电池的容量下降。但是锂电池的自放电率非常小，远远低于镍镉电池、镍氢电池。 2.2.5 电池使用寿命

经实验表明，锂电池的使用寿命远远大于其他电池，其充放电次数为600-1000次，而镍镉电池、镍氢电池的充放电数一般为300-600次。锂电池的充电次数具体视充电周期而定，一个充电周期意味着用完电池的所有电量，但并不等同于充一次电。例如，可以只用了一半的电量，然后又为它充满电，再用了一半的电量，然后又为它充满电，这只能算作一个充电周期，而不是两个，因此，你可能要花几次完成一个周期。每完成一个充电周期，电池容量就会减少一点。

2.3 锂电池充电管理

在锂电池监控管理系统中另一个重要部分就是对锂电池的充电管理。目前来说，主要存在两种充电模式，一种是恒流恒压的充电模式，另一种是脉冲电流充电的模式。根据这两种充电模式，目前主要存在三种充电方式：线性充电方式、开关充电方式和脉冲充电方式。其中，线性充电和开关充电采用的都是恒流恒压的充电模式[8]。 2.3.1 线性充电方式

线性充电方式主要应用于对噪声敏感的无线设备，其优点是成本最低，复杂度最小，同时在三种方式中其传导和辐射干扰是最小的。但是这种充电方式有一个很大的缺点，就是功率损耗较大。基于线性充电方式的这些优缺点，这种充电方式在小功率便携设备充电方案中具有很大的市场。

线性充电方式检测电池电压来决定其充电状态[26]。当电池电压小于某阈值电压时，处于预充电状态，此时以较小的电流对电池进行充电，预充电使电池电压达到阈值电压后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流可以调整。

7

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

恒定电流充电使电池电压上升到恒定电压充电电压（一般为4.2V）后，进入恒定电压充电状态。在恒定电压充电状态下，充电电流将逐渐减小。当充电电流小于某阈值时，充电结束。充电结束后，对电池电压进行监控，当电池电压小于阈值时，对电池进行再充电，进入下一个充电周期。 2.3.2 开关充电方式

相对于线性充电方式来说，开关充电方式具有最大的优点就是低损耗，这种充电方式能够在宽输入电压范围和任意电池端压范围内保持一个很低的损耗。线性充电方式由于其高损耗的缺点，在一些散热条件差、环境温度比较高的场所使用，可能会产生非常严重的后果。因此，在这种环境下，采用开关充电方式是非常必要的。但是开关充电方式也有其自身的缺点，这种方式所搭建的电路体积较大、复杂度较高，另外还有一些干扰问题。 2.3.3 脉冲充电方式

脉冲充电方式是一种新型的充电方式，其充电过程在前半部分与恒流-恒压充电方式是相同的，都是在开始时采用恒流对电池充电，当电池电压上升到4.2V以后，开始转入真正的脉冲充电阶段，而不是恒压充电。在脉冲充电阶段，充电器间歇性的对电流进行充电，充电电流值与在恒流充电阶段相同。经过一定时间，当电池电压超过4.2V后，充电回路被切断，电压会慢慢下降。下降到一定值后在打开充电回路继续充电，重复进行这些过程，直到电压的下降速度足够慢，认为电池满电量。脉冲充电方式综合了开关方式和线性方式的优点。这种充电方式不会产生热损耗，且效率很高，而且由于这种方式没有额外的输出滤波电路，因此不会产生干扰。但是，脉冲充电方式也有其自身的缺点，就是成本比较高。这是由于它需要一个有限流功能的电源。

2.4 电池电量管理

锂离子电池的特性对设备的正常工作有很大影响。在实际应用中,要求锂离子电池能够满足工作的功率需求,并且要求维持正常工作的时间尽量长。锂离子电池电量管理是锂离子电池的关键技术之一。实现锂离子电池的电量管理,可提升电池组的安全性、效率、寿命，从而提升系统的整体性能。此外，大多数应用场合需要显示电池组的剩余电量信息，以供使用者明确电池组的工作状态，及时对电池组进行充电。

SOC指的是电池剩余电量值，它是电池使用过程中的重要参数。在对电池

8

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

进行管理的过程中，必须要对电池的剩余电量也就是SOC进行估计。SOC估计与电池自身的特性和外界的因素有很大的关系。其中，最主要的因素有环境温度、充放电效率、自放电、电池的循环寿命等。另外，选用合适的SOC估计算法来进行剩余电量计算也是非常重要的。常见SOC估算方法有放电实验法、开路电压法、安培积分法等[27]。

（1）放电实验法

这种SOC估计算法是精确估算电池剩余电量的最可靠方法，在实验室中经常采用这种方法。但是，当电池处于动态时，这种方法不适用。这种估算方法的策略比较简单，采用恒流将电池放电至截止电压，电流与时间的乘积就是剩余电量。

（2）开路电压法

开路电压法是指当电池处于开路的状态时，其电压值与 SOC 之间存在一个基本上趋于线性的比例关系。因此，我们只需要测量电池的开路电压值，就可以得到其 SOC 值，这种估算方法是最简单的。

（3）安培积分法

安培积分法是比较复杂，需要考虑很多因素，例如温度、充放电效率，自放电率等，如果忽略这些因素，那么在对电池电量进行估计时会产生误差，这些误差会随时间而逐渐累加，最终对估算结果造成很大的影响。因此，在实际使用中，安培积分法一般都是与其它方法结合使用而不单独使用。安培积分法就是指通过计算电池在充放电过程中的容量变化的差值，获得电池的剩余容量。即电池的剩余电量=(总电量)-(已放出的电量)，需要对电池进行长时间的监测，从而能够得到任意时刻电池的安时电量，然后对电流进行积分从而得到已放出的电量。本系统选择采用开路电压法。但是，电池不是一个简单的模型，它的电量会受到很多因素的影响，忽略这些因素会给电量估计带来较大的偏差。因此 SOC 估计需要加入各种补偿。SOC 的补偿主要为充电率补偿、放电率补偿和温度补偿。将这些需要补偿的因素考虑进来以后，就可以对 SOC 进行较精确的估计。

2.5 电池均衡管理

由于单体锂离子电池的电压只有 4.2V，因此在许多设备中无法单独使用。我们需要将其串联起来构成锂电池组，这样可以得到较高的电压或较大的功率，方便应用于各种设备中。

9

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

但是锂离子电池在串联使用时，当对锂电池组进行充电的过程中，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。 2.5.1 电池失衡的原因

由于同一型号的锂离子电池其内部特性都存在差异，而且锂离子电池的使用次数和外部环境不同，因此，会导致锂电池组中单体电池的容量差异。但是，在对锂电池组进行充/放电的过程中，流过每一个单体电池的电流是相同的。这样，在充电时，容量小的电池会被先充满，单锂电池组会继续充电，这样势必会造成容量小的电池过充；同理，在放电过程中，容量小的放电快，容易造成过放。当出现过充和过放的现象，会影响该单体电池的使用寿命，同时会影响到锂电池组的整体放电能力。因此，为了解决锂离子电池组在充放电过程中产生的不均衡现象，需要在电池监控管理系统中设计均衡电路。 2.5.2 电池组均衡的方法

电池组均衡是指通过合适的电路和控制方法，调节电压较高的单节电池，达到各节一致的目的。目前国外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和无能耗的方法。

（1）能量损耗型均衡法

在对锂电池组均衡时，主要依据锂电池组中单体电池的端电压是否相同来判断整个电池组是否处于均衡状态。能耗型均衡电路的基本思路就是通过对单体电池电压值的检测，把电压高的电池单元中多余的能量通过电阻消耗掉。一种比较简单的均衡方法是电阻旁路法[13]。电池组中每一个电池单元都并联一个分流电阻，当系统检测到电池组中某单体电池电压过高时，闭合旁路开关，接通旁路，利用分流电阻对该电池进行放电，将多余的能量通过分流电阻进行消耗。当信号检测电路检测到该单体电池电压下降到与电池组中其它电池一致时，认为电池组趋向于均衡，打开旁路开关，停止分流电阻对电池的进一步放电。这种均衡电路主要应用于小电流充放电的系统中。

（2）非能量损耗型均衡法

能量损耗性均衡法由于通过分流电阻来释放多余的能量，因此会在电路中产生较大的热量，对整个系统的散热产生很大的影响，特别是在功率较大或者充放电电流比较大的系统中。因此，对于大功率大电流系统，通常采用非能量

10

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

损耗型均衡法。非能量损耗均衡法是利用一个活动的分流元件把电压高的单体电池的能量转移到电压比较低的单体电池上。一种方法就是让相邻两节电池共享一个快速电容，这个快速电容在两节电池间不断转换，将高电量电池的部分电量转移到低电量电池上去。每个电容需要一个简单的控制器件来接通开关，就可以对高电压的串联电池组进行均衡。

11

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

3 系统硬件设计

目前，锂离子蓄电池组作为一种新能源，与传统的以镍隔，镍氢电池为储能核心的电源系统相比，存在以下问题：

（1）串联电池组由于各单体之间容量的差异引起的充电放电过程的不均衡。

（2） 由于过充电，过放电，过电流或高温而引起的电池失效问题。针对以上两个问题，提出以下设计目标

（1） 对锂离子电池组，实现充放电时电池之间的均衡，做到各单体电池之间电压与其平均电压的差不超过 0.2V，实现充放电时对电池的保护。

（2） 设计充放电控制电路，实现对锂离子电池组过充、过放以及短路保护。

3.1 系统硬件总体结构

根据以上设计目标，系统总体方案框图如图 3.1 所示。本系统采用TI公司的MSP430F233 为控制核心，包括电压、电流和温度采样电路、锂电池组的过充、过放、短路保护电路和均衡电路、串口通信电路以及相关外围电路等。

均衡电路信息采集电压检测MCUADC温度检测电流检测短路保护充电电池组过压/过放保护电路图3.1 系统整体框图 Fig 3.1 Diagram of the system

锂电池组在充放电的过程中，系统的信号检测电路实时地对电压、温度、电流等参数进行采集，同时采样到的信号送入 AD 转换器，经过 A/D 转换后

12

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

的数据送入处理器，处理器读取转换结果后，将转换结果与系统预设的参数值进行比较，判断是否出现过压、过放或短路现象，以决定是否启动相应的保护措施。同时，根据需要，单片机可实时上传采集到的电压、电流、温度等参数给上位机，由上位机处理后进行显示和存储。另外，上位机系统还可通过串口给单片机系统设置相关的系统参数和数据校正参数。

3.2 单片机系统

单片机最小系统设计电路如图 3.2 所示，主要有电源电路、复位电路、外部振荡电路、均衡控制信号输出、充放电控制信号输出、短路保护中断输入、电压检测输入、电流检测输入、温度检测输入、多路模拟开关控制信号输出、指示和报警信号输出等。

TXDRD7CXTLCTL8CCTTLL910P4.0/TB0.6P4.1/PT3B1P3.7P4.2/TB2CTL11CTL12CTL13CTL14CTL15CTL16P4.7/TBCKPL4.3P4.4P4.5P4.6CTL1CTL2CTL3CTL4P.3/U0ISTE0CLKP31./0UCCBB0SMO//UUCCAB0SDAP3.2/UCB0SOMI/UCB0SCLR6410R6510P433/UC0BCDL/K/CUAC0ATOEP3./.UCAT0XUS0ISMP3.5UCA0RXD/UCA0SOMIV3.6GNDDC35104C6710uFC34104C6610uFRSTTMSTCKTDOVREF+C68Y210uFC69C37104VREF2.5C39C3815P15PC3315PY1TDIP6.7/A7/SVSINC3215PCHARGEDISCHGIADINVADINALARMSCLTEMINSDKP5.3P5.2P5.1P5.0104P5.4/MCLK10uFC36P5.7/TBOUTH/SVSOUTP6.6/A6P6.5/A5P6.4/A4P6.3/A3P6.2/A2P6.1/A1P6.0/A0PCLP55..65//ASMCKLKDVccDVssAVccAVssRST/NMITMSTCKTDI/TDOVREF+VeREF+VREF-/VeREF-TDI/TCLKXINXOUTXT2INXT2OUTU1MSF430F233P1.0/TACLK/CAOUTP1.1/TA0P1.2/TA1P1.3/TA2P1.4/SMCLKP1.5/TA0P1.6/TA1P1.7/TA2P2.0/ACLK/CA2P2.1/TAINCLK/CA3P2.2/CAOUT/TA0/CA4P2.3/CA0/TA1P2.4/CA1/TA2P2.5/Rosc/CA5P2.6/ADC12CLK/CA6P2.7/TA0/CA7CS1CS2CS3CS4ADDAADDBCTL5CTL6DL1DL2DL3DL4ALARMLEDDISLEDCHGLEDSHORTINT图 3.2 单片机最小系统 Fig 3.2 The smallest single-chip system

3.2.1 MCU的选择

MCU是整个保护器系统的核心，根据系统设计的要求，MCU的选择必须具有强大的功能：低功耗、内部集成多路A/D转换器、支持SPI通信以及具有E2PROM等功能。TI公司的MSP430单片机以低功耗著称，其中MSP430F233芯片具有工作电压低、功耗低的特点，工作电压在1.8V～3.6V范围内，当该芯片以2.2V的电压正常工作时，其工作电流可以低到270uA，待机状态电流低至

13

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

0.3uA，关断模式电流低至0.1uA。该芯片内部还包含了8路12位AD转换器，可以实现多路数据同时采集。除此之外，该芯片还包含一些外围接口，如UART串行口和SPI、IIC接口；JTAG下载调试接口等。其基准时钟可设在 32KHz~16MHz的范围；2个16位的具有捕获/比较功能的定时器。

MSP430F233 的功能方框图如图3.3所示。MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A 和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O 端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160 段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。MSP430x2xx系列的主要特性如下[1]：

（1） 超低功耗延长了电池的使用寿命 （2） 保持 RAM0.1uA （3） 实时时钟模式 0.8uA （4） MIPS 运行 250uA （5） 理想精确的模拟信号测量 （6） 门控比较定时器测量电阻类元件 （7） 16 位的精简指令集的 CPU 全新应用 （8） 更大的寄存器空间消除了运行空间的瓶颈 （9） 紧凑的核结构设计减少了功耗、降低了成本 （10） 使用高水平的编程更优化 （11） 27 条核心指令和 7 种寻址方式 （12） 强大的矢量中断能力

14

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

图 3.3 MSP430F233功能方框图

Fig 3.3 The function block diagram of MSP430F233

3.2.2 系统电源电路

系统需要从锂电池组中取电。对于小型的电池组，可以从电池组中间取电。但是对于大中型电池组，如果从中间取电的话，势必会由于各单体电池的差异导致整个电池组的不均衡，使电池组的放电能力下降。因此，我们使用锂电池组对系统进行供电时，一般情况下尽量不从电池组中间取电，需要对电池组最大电压进行变换，使其变成适合系统工作的电源电压。本系统的工作电压有两种：5V和3.6V。其中5V的电源需要从锂电池组的最大电压变换得到，本系统所监控管理的电池组最大数量为16节，锂电池的最高电压为4.2V，因此该电池组的最大电压可以达到67.2V，当电池组中电池数目较少时，电池组最大电压则可能降到10V左右。因此，我们需要选用电压工作范围在10V~67.2V之间的降压芯片。而MAX5033B作为一种高效、高压、降压型DC-DC转换器，其电压工作范围可达7.5V~76V，另外，我们可以通过设定使其输出固定在5V，满足了系统的要求。因此，我们选用MAX5033B作为降压DC-DC电路的主芯片[10]。MAX5033B除了电压工作范围满足要求外，还具有功耗低、工作效率高和工作

15

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

温度范围广的优点。其空载时仅消耗350uA的静态电流，转换效率可高达94%，输出电流可到500mA，工作温度范围-40℃~125℃，非常适合本系统。该芯片共有 8 个引脚，其芯片图如图 3.4 所示。

图 3.4 MAX5033B芯片图 Fig 3.4 The chip chart of MAX5033B

该芯片引脚功能如下：

图 3.5 MAX5033B芯片引脚功能 Fig 3.5 The function of pin of MAX5033B

5V 电源的具体降压 DC-DC 电路如图 3.6 所示。

VCCB+S1R58105VINON/OFFSGNDC7047uFR59C82104R000000GNDU9BSTLX220uHL1FBVD5033LEDC7133104C81VCCR60201D5 图3.6 5V输出电压DC—DC电源电路

Fig 3.6 5V DC—DC power supply circuit output voltage

16

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

U10Vin10uFGND7536V3.6VoutC73C4410410uF+VCC+C72图 3.7 3.6V输出电源电路 Fig 3.7 3.6V power supply output circuit

系统的3.6V电源则由变换的5V电源转换得到。该DC-DC电路可以由HT7536芯片实现。该芯片是一个三端高效电源管理芯片。具有结构简单，功耗小、温度系数小、压差低等优点。该电路如图3.7所示。 3.2.3 复位电路

本系统中采用STC809R作为复位芯片，该芯片是专用复位芯片，具有很多优点：在上电时，当时钟振荡稳定而且电压值大于用户设定值，单片机才开始工作；掉电时，当电压值低于用户设定值，单片机才能复位；电池电压下降到一定值，单片机始终处于复位状态，且此时处于超低功耗，避免电池出现过放；具有掉电检测电路，在掉电过程中有充分的时间保存数据。

图 3.8 复位电路 Fig 3.8 Reset circuit

17

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

3.2.4 外部电路

需要对电池信息进行存储与显示，因此需要扩展1KB的EEPROM存储器，如图3.9所示。

V3.6U11A0A1A2GND24C08VCCWPSCLSDASCLSDAR44103图 3.9 EEPROM扩展电路 Fig 3.9 EEPROM expansion circuit

MSP430单片机支持JTAG接口的在线下载和调试，因此在电路上预留了JTAG 接口电路，给调试和使用都带来了极大的方便。电路如图3.10所示。

GNDDTDOV3.6TMSTCK1413121110987654321 18

图 3.10 JTAG接口电路 Fig 3.10 JTAG interface circuit

系统有充放电状态和电量状态的LED指示电路，备用的指示电路，以及 LED报警和蜂鸣器报警电路，分别如图3.11、图3.12、图3.13所示。放电时DISLED输出高电平，对应DISLED二极管亮，充电时CHGLED输出高电平，对应CHGLED二极管亮，当电池组单体最高电压高4.2V或者最低电压低于2.5V时ALARMLED输出高电平，对应ALARMLED二极管亮。根据电池电量指示灯DL1,DL2,DL3,DL4的不同二进制组合，得到分辨率为6.25%的电量指示，即单体电压每上升0.2625V指示灯组合数值加一。对于声音报警电路，当电池组单体最高电压高4.2V或者最低电压低于2.5V时ALARM输出高电平，蜂鸣器报警。

RETTDI青岛科技大学本科毕业设计（论文）

DISLEDR135201ALARMLEDR136201CHGLEDR137201CHGLEDALAEMLEDDISLED 图 3.11 充放电状态指示和LED报警电路 Fig 3.11 Discharge state indicator and LED alarm circuit

DL1R138201DL2R139201J1123DL3R140201DL4R141201图 3.12 电池电量指示电路 Fig 3.12 Battery indicator circuit

VCCBEEP R143101ALARMR142202Q?NPN图 3.13 声音报警电路 Fig 3.13 The sound alarm circuit

3.3 信号采集电路

19

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

3.3.1 A/D转换

MSP430F233有一个12位的逐次逼近型ADC，具有8路模拟量输入通道，使系统可以同时对电压、电流以及温度信号进行采集，而不需要再扩展A/D芯片。该AD转换器内部包含有采样保持电路，另外，其内部自带参考电压。 AD转换器是通过其AVCC引脚供电。片内自带2.56V的基准电压VREF+，当进行电压、电流和温度等信号采集时，可以在VREF+引脚上加上电容进行解耦，这样可以对噪声更好的抑制。其A/D转换连接电路如图3.14。

图 3.14 ADC电源连线图

Fig 3.14 Power supply connection diagram

3.3.2 电压采集电路

对电压的精确采集是系统可否正常运行中非常关键的一步。因为，后续的保护电路需要依据电池组总电压和单体电压值的大小进行判断，所以，我们需要选用合适的测量方法完成对电压的精确测量。目前的电压采集电路用的比较多的方法有以下几种：电阻分压法、隔离放大器、线性光电隔离、高共模放大器。

本设计主要针对小功率的锂离子电池管理系统，系统中电池组的数量最多不超过16个，当电池组满充时，其端电压为67.2V，充电电压控制范围为67.2±0.8V。另外，由于系统需要根据单体电池电压值进行保护判断，需要测量单体电池电压。因此，我们选择了电阻分压的方式来进行电压采集。

本电路主要由以下几个部分组成：电池电压输入接口电路、高8路电压取样网络、低8路电压取样网络、高8路信号多路选通电路、低8路信号多路选通电路、放大电路。

20

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

如图3.15所示为电池电压输入接口电路。

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536BAT16BAT15BAT14BAT13BAT12BAT11BAT10BAT9BAT8BAT7BAT6BAT5BAT4BAT3BAT2BAT1B-图 3.15 电池电压输入接口电路 Fig 3.15 Battery voltage input interface circuit

取样电阻网络分为高8节取样电路和低8节取样电路。这样取样的原因是由于受系统成本所限，系统的放电电路没有采用高精度、低漂移的集成运放 LM324，而是采用了价格比较低的LMV324。虽然LMV324能够与LM324相兼容，但是LMV324的缺点是精度较低，而且，当低端电压放大时，其漂移和线性度不能满足需求。因此我们需要把取样电阻网络设计成高8节和低8节两种不同的接法。这两种电压取样网络分别如图3.16和图3.17所示。

BAT16R1155BAT15R3155BAT14R5155BAT13R7155BAT12R9155BAT11R11155BAT10R13155BAT9R15155BAT8R17155B-B16B15B14B13B12B11B10B9R2104C1104R4104C2104R6104C3104R8104C4104R10104C5104R12104C6104R14104C7104R16104C8104P-B8HR18104C9104图 3.16 高8路电压取样电阻网络 Fig 3.16 High voltage Road 8 sampling resistor network

由上图可知，高8节电压取样网络中，其各极电压都是通过两个电阻对地进行分压，取样得到的电压值都可以保持在1V以上，从而保证进入运放LMV324后均可在线性区工作，能够满足要求。

BAT8R45155BAT7R19155BAT6R21155BAT5R23155BAT4R25155BAT3R27155BAT2R29155BAT1R31155B8B7B6B5B4B3B2B1R46104C10104R20104C11104R22104C12104R24104C13104R26104C14104R28104C15104R30104C16104R32104C17104CM1V图 3.17 低8路电压取样电阻网络

Fig 3.17Low voltage Road 8 sampling resistor network

上图为低8节电压取样电阻网络，在该电路中，各极电压都是通过两个电阻对1V的基准电压进行分压取样。如果采用和高8节一样的方法直接对地分压

21

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

的话，会使差分信号中的共模信号过弱，不能满足运放LMV324的工作要求，使其不能工作在线性区，因此需要采用各极电压均对固定的1V基准电压进行分压的方式取样，从而也保证所有电压值均在1V以上的线性区。1V基准电压的产生电路如图3.18所示。

VREF2.5R56303U12ACM1V324R57203VCC图 3.18 1V电压基准电路 Fig 3.18 1V voltage reference circuit

其中的VRER2.5是由单片机内部的AD采样参考电压输出的2.5V标准电压，该电压经电阻分压和跟随器电路输出后得到稳定的1V基准电压，该电压在小范围内的波动不会对放电电路的输出形成明显的影响。经过电压采样电阻网络取样后，我们需要把16路电压信号分时的送入单片机的AD转换器中。在这里选用4片多路开关芯片CD4052来构成高8路和低8路的多路开关电路。电路如图3.19和图3.20所示。

B1B2B3B4VPINCS10YI/O0XI/O1YI/O1XI/O2YI/O2XI/O3YI/O3XI/OYO/IXO/IINHAU2VEEBVSSVDD4052CM1VB1B2B3VNINADDAADDBB5B6B7B8VPINCS20YI/O1YI/O2YI/O3YI/OYO/IINHU3VEEVSS40520XI/O1XI/O2XI/O3XI/OXO/IABVDDB4B5B6B7VNINADDAADDBVCC图 3.19 低8路电压多路选通电路

VCC

Fig 3.19 Low voltage Road 8multiplex circuit

22

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

B9B10B11B12VPINCS30YI/O1YI/O2YI/O3YI/OYO/IINHU4VEEVSS40520XI/O1XI/O2XI/O3XI/OXO/IABVDDB8B9B10B11VNINADDAADDBB13B14B15B16VPINCS40YI/O1YI/O2YI/O3YI/OYO/IINHU5VEEVSS40520XI/O1XI/O2XI/O3XI/OXO/IABVDDB12B13B14B15VNINADDAADDBVCC图 3.20 高8路电压多路选通电路 Fig 3.20 Low voltage Road 8multiplex circuit

VCC

最后，将多路开关选通电路中的X路和Y路输出一起接入放大电路中，其中X路输出接VNIN，Y路输出接VPIN，VPIN为同相输入端，VNIN为反相输入端。将每节电池的差分信号转换为单极对地信号VADIN，然后送入单片机的AD通道进行转换。电压放大电路如图3.21所示。

104C18VNINU6AR37R34602103R39203VCC324VCCU6BR35402324R36602U6CVPIN324R38103203R40VADINC20104VCC图 3.21 放大电路 Fig 3.21 Amplifying circuit

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[24]，因

23

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

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。

VREF2.5U7B+BAT16RS+VCCNCGND4081RS-REFAREFBOUTIADINBAT16V1.5R42303C21104R41203图 3.22电流采集电路 Fig 3.22 Current sampling circuit

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BS18B20芯片采用单总线协议，即只需要一根线与MSP430F233进行接口，因此接口电路非常简单。温度采集电路如图 3.23所示。

VCCR4010KTEMINDS18B20J1123图 3.23 温度采集电路

Fig 3.23 The temperature collection circuit

24

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

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：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：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

25

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

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[19]。

P-D4R54503VCCC30104U12DSHORTINTCM1V324753R55C6010uF+图 3.24 短路保护电路 Fig 3.24Short circuit protection circuit

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。

B+R50105R48505DISCHGR52104Q172SC1845Q19Q21Q23Q25Q20R49505CHARGER53104Q182SC1845R51105P+Q22Q24Q26图 3.25 充放电控制电路 Fig 3.25 Charging and discharging control circuit

26

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

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。

B-201R134R216201JH01IRLML6401Q116BAT1000R132CTL1131104Q162SC1845R133103图 3.26 均衡电路 Fig 3.26 Balanced circuit

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。

27

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

321J10TXDRXDGNDDJ2321VCCC61VCC104C63++C62+DB9RA/FGNDDGND594837261RXINTXOUT+VVCCTXDC64+104R1INR2INT1INT2INC1+C1-V-104RXIN104R1OUTR2OUTT1OUTU8T2OUTC2+232C2-RXDTXOUTC65104+图 3.27 充放电控制电路 Fig 3.27 Charging and discharging control circuit

28

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

4软件设计

4.1 开发平台

由于本系统采用的是TI公司的MSP430系列的单片机，因此开发平台选用IAR Embedded Workbench for Msp430 3.42A这个版本。该软件是一种增强型一体化嵌入式集成开发环境，其中完全集成了开发嵌入式所需的文件编辑、项目管理、编译、链接和调试工具。该软件除了可以进行纯软件仿真，也可以结合仿真器实现在线仿真调试。

4.2 软件模块划分

下位机软件系统主要由定时中断数据采集处理模块、外部中断短保护模块、充放电保护模块和均衡保护模块等构成。软件主程序流程图如图4.1所示：

4.3 数据采集模块

数据采集处理模块是整个检测系统的核心，通过在主程序中设置定时器1 的定时时间，使其产生中断，在中断程序里完成对电压和电流等参数的采集和处理。该模块包括电压和电流的采集以及处理。这些数据的精确度对系统的性能有着决定性的作用。 4.3.1 电压采集模块

系统需要对16节锂电池模组的单节电池电压进行采集，由于 MSP430F233只有8路 A/D，同时还要对1路电流采样，因此，系统采用分时复用的方式用一路 A/D 实现对16节锂电池进行电压采集，复用方式采用4片 CD4052实现。程序中建立两个枚举类型的数据来对CD4052进行选通，每次选通时，利用CD4052的差分功能可得到单节的电池电压。这两个枚举类型为：

enum ADD_STATA{S0,S1,S2,S3} enum CS_STATA{CS1,CS2,CS3,CS4}

其中ADD_STATA 用于对单片的CD4052的四路通路进行选择，CS_STATA对CD4052进行片选，在程序中对应这两种枚举数据类型的变量分别为ADD_A_B和CS_SEL，电压的采样利用定时器1中断。 4.3.2 电流采集模块

系统电流的采集通过检测高端电流检测芯片MAX4081上RS-和RS+两端的

29

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

电压获得。

开始系统初始化开定时器中断，采样5次采样是否完毕？YN数据处理17路信号是否采样完毕？YN是否需要均衡保护Y开定时器2中断，等待中断N是否需要均衡保护Y开定时器2中断，等待中断N是否需要均衡保护Y开定时器2中断，等待中断N关定时器2中断关定时器2中断关定时器2中断图 4.1 软件主程序流程图

Fig 4.1 software flowchart of main program

4.4 充放电管理模块

30

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

4.4.1 充电管理模块

锂电池模组在正常情况下充电回路要保持一旦接通就充电，但在充电过程中如果单体电压的最大值大于4.2V时，启动定时器2，定时一段时间后进入中断，在中断内再次对该过充信号进行检测，如果仍然超过设定值，就需要启动充电保护，断开充电回路。但由于某种原因（比如放电）而使最大值下降到4.0V 且持续一定时间要接通充电回路，以方便下次充电。为实现此功能定义了几个标志位：charge_guard, chage_f_guard, charge_guarded,分别代表单体电池电压最大值大于4.2V标志，单体电池电压最大值小于4.0V标志和进入充电保护标志。

具体实现方式为先根据charge_guarded的值判断是否进入保护状态，然后根据电池最大值决定是否启动定时器中断，若最大单体电池电压小于4.0V则开定时器中断中断并置位charge_f_guard，否则复位charge_f_guard，若最大单体电池电压大于4.2V则开定时器中断中断并置位charge_guard，否则复位charge_guard。流程图如4.2所示：

进入充电保护模块charge_guard,charge_guarded,charge_guard,charge_f_guard赋初值0charge_guarded=1YNNVmax<4.0V?YVmax>4.2V?YNcharge_f_guard=1开定时器中断charge_f_guard=0charge_guard=1开定时器中断charge_guard=0 图 4.2 充电管理模块软件流程图

Fig 4.2charging management module software flow chart

31

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

一旦启动了定时器，当定时器中断发生时，进入中断再次根据charge_guarded的值判断是否进入保护状态，然后根据电池最大值及其标志决定是进入充电保护状态还是退出充电保护状态，并置位或复位相应标志位的值。若最大单体电池电压小于4.0V并且charge_f_guard置位则退出中断保护状态并复位charge_f_guard，charge_guarded。若最大单体电池电压大于4.2V并且charge_guard置位则进入中断保护状态并复位charge_guard，charge_guarded。流程图如图 4.3 所示：

进入定时器中断charge_guarded=1?NYVmax<4.0V?&&charge_f_guard=1Y退出充电保护状态charge_f_guard=0charge_guarded=0NVmax>4.2V?&&charge_guard=1Y进入充电保护状态charge_guard=0charge_guarded=0N中断结束，回到主程序图 4.3 中断程序软件流程图

Fig 4.3 interrupt program flow chart of software

4.4.2 放电管理模块

系统的放电管理模块与充电管理模块类似，只是充电保护及恢复通过对电压的最小值的判断来实现。在放电过程中如果单体电压的最小值小于2.5V，启动定时器2，定时一段时间后进入中断，在中断内再次对该过放信号进行检测，

32

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

如果仍然超过设定值，断开放电回路。但由于某种原因（比如充电）而使最小大值上升到2.7V且持续一定时间要接通放电回路，以方便下次放电。为实现此功能定义了几个标志位：discharge_guard,dischage_f_guard,discharge_guarded，分别代表单体电池电压最小值小于2.5V标志，单体电池电压最小值大于2.7V 标志和进入放电保护标志。

具体实现方式为先根据discharge_guard的值判断是否进入保护状态，然后根据电池最小值决定是否启动定时器中断，若最大单体电池电压小于2.5V则开定时器中断并置位discharge_guard，否则复位charge_guard，若最大单体电池电压大于2.7V则开定时器中断并置位charge_f_guard，否则复位charge_f_guard。流程图如图4.4所示：

进入放电保护模块discharge_guard,charge_guarded,discharge_guard,discharge_f_guard赋初值0discharge_guard=1YNNVmin>2.7V?Ydischarge_f_guard=1开定时器中断Vmin<2.5V?YNdischarge_f_guard=0discharge_guard=1开定时器中断discharge_guard=0 图 4.4 放电管理模块软件流程图

Fig 4.4discharge management module software flow chart

一旦启动了定时器，当定时器中断发生时，进入中断再次根据discharge_guarded的值判断是否进入保护状态，然后根据电池最小值及其标志决定是进入充电保护状态还是退出充电保护状态，并置位或复位相应标志位的值。若最小单体电池电压小于2.5V并且discharge_guard置位则退出中断保护状

33

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

态并复位discharge_guard，discharge_guarded。若最小单体电池电压大于2.7V并且discharge_f_guard置位则进入中断保护状态并复位discharge_f_guard，discharge_guarded。流程图如图 4.5所示：

进入定时器中断discharge_guarded=1?NYVmin>2.7V?&&dsicharge_f_guard=1Y退出充电保护状态discharge_f_guard=0,dsicharge_guarded=0NVmin<2.5V?&&discharge_guard=1Y进入充电保护状态discharge_guard=0discharge_guarded=0N中断结束，回到主程序 图 4.5 中断程序软件流程图

Fig 4.5 interrupt program flow chart of software

4.4.3 电压均衡处理模块

在电池充电过程中，由于锂电池的个体差异，可能会造成某节电池产生过充，为了避免过充造成电池损坏，需要在过充时对电池旁路。从而使每节电池电压达到均衡。均衡方法为在满充电态时，也就是当检测到某节电池达到4.2V 时，开始启动均衡，首先计算16节锂电池的平均电压，然后将各节电池的单体电压与平均电压相减，如果其中某节电池的电压与平均电压的差值大于0.2V，便将该电池旁路，启动均衡。

4.5 短路保护

34

青岛科技大学本科毕业设计（论文）

系统的短路需要很高的实时性，因此该保护通过硬件中断的方式实现，当硬件检测到短路发生后产生硬件中断，主控 CPU 立即断开负载回路，而当短路解除时，CPU 会接收到硬件电路发送的解除保护信号，系统恢复正常。

4.6 软件抗干扰

整个系统稳定工作的前提是电压采样值能够精确，但是由于硬件电路本身结构所限，每次采集的数据会有一定误差，为了降低采集误差给系统造成性能的降低，加入了软件抗干扰措施。具体方式是对每一路信号都连续进行 10 次采样，然后去掉其中的最大值和最小值，对剩下的 8 个数据求平均值，最终得到有效的采样值。试验证明该方法可使采样误差从 10 毫伏降低到 5 毫伏以内，从而提高了系统的稳定性。

35

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

5 总论

本系统对锂电池组管理系统的测试主要包括电压采集、温度采集、电流检测、过充和过放电保护功能、短路保护功能、温度保护功能等内容。

将锂电池组和保护电路连接好后，用4位半高精度万用表对所有单体锂电池的电压（用电池组模拟器产生）进行测量，并观察上位机应用程序显示的数据，进行比较和记录。对每一节锂电池的电压测量需要进行 在低电压、中间电压、高电压三种情况下的测量值与扫描值，比较二者误差。在某节电池电压不变时，改变其前级电压，在个别节中会发生扫描值的小幅波动，经理论分析其原因是由于分压电阻网络阻值不一致所引起的，但仍能保持在正常误差范围之内。

测试时，通过调整电池模拟器中某节电池的电压，分别使之低于设定的锂电池最低放电电压和高于最高充电电压，观察保护器中的充放电状态指示灯，测量充放电控制MOS管的管压降。系统实际设定的最低放电电压为2.5V，最高充电电压是4.2V，实际测试结果表明保护器分别在模拟器电压超过限定值时，可以立即关断放电或充电回路，实现了基本的过充和过放电保护功能。

过流保护主要是由单片机依据电流采集所获得的采样值和设置的电流保护 阈值进行比较，来决定是否关断充电或放电回路。当检测到电流大于设定保护值时，由单片机输出控制信号切断MOSFET开关。短路保护功能仍然利用电流采集电路获得的电压值和门限电压进行比较，短路时比较电路输出脉冲作为单片机的中断输入，在中断程序中切断回路，实时地进行短路保护。

温度保护功能是在环境温度低于或超过一定值时，使系统进入保护状态，主要通过比较检测温度和系统设置的最高温度、最低温度来进行充放电保护。通过实际测试，保护器实现了高低温保护功能。

经过测试，该系统基本满足设计要求，达到了预期的目的。尽管如此，但是由于本人设计经验的匮乏和时间的限制，系统还有进一步完善和改进的空间：电池组在均衡的过程中，由于采用的是能量损耗法，所以保护器上的温度会较高。这需要我们研究用简单可靠的非损耗型均衡法来实现电池组的均衡；电流检测的精度虽然可以满足本系统的需要，但是精度不高。后期需要我们研究新的电流采集电路提高电流检测的精度。

36

电池检测充放电设备_单片机控制电路设计

5 总论

本系统对锂电池组管理系统的测试主要包括电压采集、温度采集、电流检测、过充和过放电保护功能、短路保护功能、温度保护功能等内容。

将锂电池组和保护电路连接好后，用4位半高精度万用表对所有单体锂电池的电压（用电池组模拟器产生）进行测量，并观察上位机应用程序显示的数据，进行比较和记录。对每一节锂电池的电压测量需要进行 在低电压、中间电压、高电压三种情况下的测量值与扫描值，比较二者误差。在某节电池电压不变时，改变其前级电压，在个别节中会发生扫描值的小幅波动，经理论分析其原因是由于分压电阻网络阻值不一致所引起的，但仍能保持在正常误差范围之内。

测试时，通过调整电池模拟器中某节电池的电压，分别使之低于设定的锂电池最低放电电压和高于最高充电电压，观察保护器中的充放电状态指示灯，测量充放电控制MOS管的管压降。系统实际设定的最低放电电压为2.5V，最高充电电压是4.2V，实际测试结果表明保护器分别在模拟器电压超过限定值时，可以立即关断放电或充电回路，实现了基本的过充和过放电保护功能。

过流保护主要是由单片机依据电流采集所获得的采样值和设置的电流保护 阈值进行比较，来决定是否关断充电或放电回路。当检测到电流大于设定保护值时，由单片机输出控制信号切断MOSFET开关。短路保护功能仍然利用电流采集电路获得的电压值和门限电压进行比较，短路时比较电路输出脉冲作为单片机的中断输入，在中断程序中切断回路，实时地进行短路保护。

温度保护功能是在环境温度低于或超过一定值时，使系统进入保护状态，主要通过比较检测温度和系统设置的最高温度、最低温度来进行充放电保护。通过实际测试，保护器实现了高低温保护功能。

经过测试，该系统基本满足设计要求，达到了预期的目的。尽管如此，但是由于本人设计经验的匮乏和时间的限制，系统还有进一步完善和改进的空间：电池组在均衡的过程中，由于采用的是能量损耗法，所以保护器上的温度会较高。这需要我们研究用简单可靠的非损耗型均衡法来实现电池组的均衡；电流检测的精度虽然可以满足本系统的需要，但是精度不高。后期需要我们研究新的电流采集电路提高电流检测的精度。

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wgag.html