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