硬件的設計必須要實現對動力鋰電池組的合理管理，首先必須保證采集數據的準確性;其次是可靠穩定的系統控制;最后非常重要的是抗干擾性。在具體實現過程中，根據設計要求決定要采集動力鋰電池組的數據類型;根據采集量以及精度要求決定硬件的設計。

本文設計的鋰離子電池管理系統控制板附在鋰離子電池組上，由鋰離子電池組供電，作為在線管理系統實現實時管理功能基本功能如下：

1.電池信息實時采集及顯示，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流;

2.剩余電量估計功能及顯示;

3.8節鋰離子電池充/放電智能管理，當電池電壓、充放電電流、電池溫度和剩余容量過低或過高時，發送報警信號;

4.在充、放電過程中對單體電池進行均衡和診斷;

5.故障電池智能檢測/報警;

6.存儲鋰離子電池的充放電信息，可與上位機通信，在上位機檢查鋰離子電池的使用過程。

3.1鋰離子電池管理系統的硬件結構

本鋰離子電池管理系統重要由充電模塊、數據采集模塊(包括電壓，電流，溫度數據采集)、均衡模塊、電量計算模塊、數據顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統框圖如下：

其中數據采集模塊負責采集電池的各種狀態參數，如電流、電壓、溫度;充電控制模塊按預充、恒流充電和恒壓充電三個階段進行自動充電，并根據采集的數據對充放電過程進行控制;均衡模塊在適當的時候通過15W的開關電源對單個電池進行均衡充電，使電池組中的電池更加均衡一致;電量估測單元重要是分析采集過來的狀態參數并根據研究試驗得出的電量估測算法，對電池的當前電量進行估測;數據顯示單元采用圖文液晶顯示屏，可顯示各節電池電壓，充放電電流，剩余電量，電池溫度和充電時間;存儲通信單元通過存儲芯片按時把充放電信息(電壓，電流，充放電時間等)存儲起來，可通過串口與電腦通信，在電腦上顯示充放電信息。

3.2ATMEGA8L處理器簡介

ATMEGA8L是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機，它在吸收了pIC及8051單片機優點的基礎上，做出了重大的改進，速度快，性價比高，能在線編程，在一個芯片內將增強性能的RISC8位CpU與可下載的FLASH相結合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。它具有以下特性：

●高性能、低功耗的8位AVR微處理器

●先進的RISC結構

-130條指令大多數指令執行時間為單個時鐘周期

-32個8位通用工作寄存器-全靜態工作

-工作于16MHz時性能高達16MIpS

-只需兩個時鐘周期的硬件乘法器

●非易失性程序和數據存儲器

-8K字節的系統內可編程Flash，擦寫壽命：10，000次

-具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區通過片上Boot程序實現系統內編程，真正的同時讀寫操作

-512字節的EEpROM擦寫，壽命：100，000次

-1K字節的片內SRAM-可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密

●外設特點

-兩個具有獨立預分頻器8位按時器/計數器，其中之一有比較功能

-一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位按時器/計數器

-具有獨立振蕩器的實時計數器RTC

-三通道pWM-TQFp與MLF封裝的8路ADC10位ADC

-pDIp封裝的6路ADC10位ADC

-面向字節的兩線接口-兩個可編程的串行USART

-可工作于主機/從機模式的SpI串行接口

-具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗按時器

-片內模擬比較器

●特殊的處理器特點

-上電復位以及可編程的掉電檢測

-片內經過標定的RC振蕩器

-片內/片外中斷源-

5種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby模式

3.3采樣模塊電路設計

3.3.1電壓采樣的實現

鋰離子電池在充電時為防止過充損壞電池，要求其端電壓嚴格控制在4.2V以下，本電池管理系統采用圖3-1所示電壓檢測方法。

其工作原理是：

首先MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2(n=1，2，3，4，5，6，7)，同步地將電容分別的接到各單元電池兩端，使電容充電且使電容電壓等于被測單元電池的電壓;然后MCU控制多路開關n1K、n2K斷開，同時合上開關K1和K2接入A/D進行測量。此方法可直接使用微處理器內的10位共地A/D，不要另外單獨加入A/D，節省了設計成本[4]。在實際電路中模擬開關采用繼電器實現。

3.3.2電流采樣的實現

電流是電池容量估計的關鍵參數。因此對其電流的采樣的精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。在實際中采用LEM公司的閉環電流傳感器LTSR25-Np，該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應時間。其額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統設計的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉為0-5V的電壓信號，送至單片機的A/D轉換可測得充放電電流。其工作原理如圖3-3所示：

其工作特性曲線如圖3-4所示：

圖中VREF為參考點電壓，默認為2.5V;Ip為被測量電流。

3.3.3溫度采樣的實現

3.3.3.1溫度傳感器DS18B20簡介

電池溫度是系統評估電池的SOC和判斷電池能否正常使用的關鍵性參數，溫度影響電池的充電效率，同時假如電池的溫度超過一定值，有可能造成電池的不可恢復性破壞。電池組之間的溫度差異造成電池組單體之間的不均衡，從而造成電池壽命的降低。

本電池管理系統中溫度檢測采用的是美國DALLAS半導體公司生產的數字溫度傳感器DS18B20.它是單片結構，無需外加A/D即可輸出912位的數字量。通信采用單總線協議，對DS18B20的各種操作通過一條數據線即可完成，同時該數據線還可兼做電源線，即具有寄生電源模式。因為關于每個DS18B20都含有唯一的序列碼，所以每條總線上可同時連接多個DS18B20.這使得DS18B20連線簡單，系統設計靈活，適合于多種測溫系統，特別是與單片機合用構成的溫度檢測與控制系統。

DS18B20的內部重要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數據的高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值的TH和TL觸發器與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼發生器等七部分。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性可電擦除的EEpROM.后者用于存儲用戶設定的溫度報警上下限值TH，TL.前者內部的配置寄存器可用于確定溫度值的數字轉換分辨率，設定的分辨率越高，所要的溫度數據轉換時間就越長。因此，在實際應用中要在分辨率和轉換時間之間權衡考慮。

高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節組成。其中第1，2字節為溫度信息、第3，4字節為TH和TL值、第68字節未用，表現為全邏輯1;第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。

DS18B20將轉換的溫度值以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制;當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。

工作中系統對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過ROM(CCH)、搜索ROM(FOH)和告警搜索(ECH)

命令。暫存器指令分別為：寫暫存存儲器(4EH)，讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(48H)、溫度轉換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

3.3.3.2溫度檢測電路設計及工作原理

溫度檢測系統，采用直接電源供電方式。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs.由于單線制只有一根線，因此發送接收口必須是三態的。同時由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號競爭問題。

在系統安裝及工作之前，應將主機逐個與DS18B20掛接，讀出其序列號。其工作過程為：主機發一個脈沖，待0電平大于480μs后，復位DS18B20，待DS18B20所發響應脈沖由主機接收后，主機再發讀ROM命令代碼33H(低位在前)，然后發一個脈沖(15μs)并接著讀取DS18B20序列號的一位。用同樣方法讀取序列號的56位。關于系統的DS18B20操作的總體流程圖，它分三步完成：1.系統通過反復操作，搜索DS18B20序列號;2.啟動所有在線DS18B20做溫度A/D變換;3.讀出在線DS18B20變換后的溫度數據。主機啟動溫度變換并讀取溫度值;主機寫入存儲器數據。當有更多的檢測點要測溫時，利用ATMEGABL的其它口進行擴展。具體電路圖如下：

3.4充電控制模塊設計

常規充電法是按預充、恒流、定壓三階段進行，時序圖如圖3-6所示：

為提高充電效率，本電池管理系統的預充和定壓充電階段采用間歇式充電法，如圖3-7所示：

對裝有電池管理系統的鋰離子電池組充電時，必須外接與之匹配的恒壓限流型的電源括配器。其恒壓值U為

U=4.2*N+損耗電壓

式中：N為電池節數。

限流值為該動力鋰離子電池的常規充電電流0.3C(C為電池容量)，在實行充電前必須先進行系統的初始化，然后才按預充、恒流充電和恒壓充電三個階段進行自動充電。

1.初始化

雖然初始化階段并未開始對電池充電，但卻是整個充電過程很重要的一步。智能能源管理模塊在此階段對自身進行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時檢測充電條件是否符合充電要求：

(1)外接充電電源極性是否正確;

(2)外接充電電壓是否在規定范圍內;

(3)當時溫度是否在允許范圍內;

(4)鋰離子電池端電壓(各單體)是否在允許的最低充電電壓以上;

(5)鋰離子電池端電壓(各單元)是否高于過充電檢測電壓;

2.預充

預充電不是每次都要進行，其目的是當電池過度放電、存放時間太長或電池已經損壞，電池端電壓已經低于鋰離子電池允許的最低充電壓以下時，必須以小的電流(約為正常充電電流的1/10)進行預充，使鋰離子電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上，才能轉為下一個充電程序恒流充電。

預充原理是電源適配器通過MCU控制向電池施加一個比較小的充電電流(約為正常充電電流的1/10)，使得低于允許的最低充電壓以下的電池在固定的時間內達到最低允許充電電壓值，防止將深度放電的電池認為是不可充的電池。

如圖3-8所示，本模塊的預充是電源適配器通過預充開關管S1、電阻R4、S3向電池預充的，這時MCU通過程序控制放電開關管S3全導通，預充開關管S1做間歇式導通，采用較短的導通時間及間隔較長的關斷時間(等效平均電流較小)向電池預充，直至電池的端電壓上升到鋰離子電池允許的最低充電電壓(2.52.7V之間，與溫度有關)，然后進人下一充電階段恒流充電;若長時間預充電池端電壓都不能到達最低允許充電電壓，則說明電池已損壞，程序進人充電禁止狀態。

3.恒流充電

本電池管理系統對鋰離子電池恒流充電要求外置充電電源是恒流的，其恒流值應小于鋰離子電池的最大允許充電電流，本系統定為0.3C.MCU通過程序控制充電開關管S2、放電開關管S3全導通，電源適配器通過充電開關管S2、放電開關管S3向電池組恒流充電。電池電壓將緩慢上升，一般充電時間為23小時，這時電池電量達到了滿電量的70%80%.當單個電池單元電壓達到所設定的終止電壓時，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入保持充電過程。

4.保持充電

本電池管理系統在保持充電階段采用脈沖充電方式，在這一階段中，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進行恒流充電一段固定的時間t，然后關閉充電回路。由于充電電流的存在，電池電壓將繼續上升超過充電終止電壓，在充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。當電池電壓恢復到充電終止電壓時，重新打開充電回路，仍然對電池以恒流電流值進行充電，而后又關閉充電回路等待電池電壓的下降。在脈沖充電電流的用途下，電池會被逐漸充滿，電池端電壓下降的速度也逐漸減慢。這一過程一直持續到電池電壓恢復時間達到某個預設的值為止，可以認為電池己接近充滿。

本系統的各種保護及工作狀態都要用到大功率電子開關，本系統采用大功率、低導通電阻的MOSFET.使用MOSFET的原因是本電路既有充電回路，又有放電回路，為此電子開關器件應具有雙向導通能力，而MOSFET具有此種能力。實際電路中的MOSFET采用IRF4905，其典型的導通電阻為20mΩ，Vds=55V，Id=74A.

3.5均衡模塊原理與方法設計

3.5.1國內外鋰離子電池組的均衡方法綜述

當鋰離子電池組由多個單體電池串聯使用時，即使單節電池的性能再優良、質量再好，若配組使用的各單體電池特性不一致，都會導致電池組內部各單體電池過充和過放情況的嚴重不一致，就內部單體電池而言，串聯使用比單個使用更容易發生過充和過放現象，且不易發現。任意一個電池的特性加劇惡化時，將導致電池組內其它電池發生多米諾骨牌效應的連鎖性、加劇性損壞。電池組的品質由其中質量最差的一只電池決定，一只電池質量差不僅影響了整個電池組的性能，還會引起惡性的連鎖反應，使差的更差，好的也會迅速變差。為解決上述問題，目前通用的做法是將單體電池精選配對，組合成優質的電池組，最大限度地減小單體電池間的差異。

就算動力鋰離子電池組解決了配組的前期技術問題，電池組在使用中亦會使其特性出現變化，目前對電池組在使用中由于特性變化出現的導致電池組整體特性急劇衰退和部分電池加速損壞的現象，并無有效的解決辦法，只能在電池組充、放電過程中檢測到有一個電池處于過充或過放狀態，保護電路就將整個充、放電電路關斷。由于上述原因，動力鋰離子電池組在實際使用中(特別是充電時)解決各單節鋰離子電池在電池組中的平衡問題極為重要。目前國外采用的均衡方法重要有：能耗的方法和無能耗的方法。

3.5.1.1能耗均衡方法

典型的方法是利用發熱電阻旁路分流，旁路分流均衡法原理圖如圖3-9所示。B1、B2Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2Kn為MCU控制的多路開關，R1、R2Rn，為放電平衡電阻。當電池組充電時充電電流I在各節電池中都相等。當某節(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值時，MCU控制的多路開關K2合上，B2通過R2分流，使B2電壓下降，如此反復循環n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方法簡單、可靠，但電阻會消耗電能并發熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點是放電(工作)使用中，各單元平衡則白白消耗了鋰離子電池組的電能。

3.5.1.2無能耗的均衡方無能耗的均衡方法是利用一個活動的分流元件或電壓或者電流轉換器件來將能量從一節單體轉移到另一節單體。這些器件可以是模擬的，也可以是數字的。兩種重要的方法是電容平衡和能量轉換。

電容平衡原理圖如圖3-9所示。B1、B2Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2Kn為MCU控制的多路開關，C為平衡電容。當電池組充電時，若某節(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值、而B3最低，MCU控制的多路開關K2，K3合上，KA、KB都切換在a點，B2通過K2、K3、KA、KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開關K3、K4合上，KA、KB切換都在b點，電容C通過K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電壓下降，B3電壓上升，如此反復循環n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方法亦較為簡單、可靠，但使用中應注意掌握好電容充放電時間，其最大的優點是充、放電(工作)使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。

用能量轉換進行單體均衡是采用電感線圈或變壓器來將能量從一節或一組電池轉移到另一節或一組電池。兩種積極的能量轉換方法是開關變壓器方法和共享變壓器方法。

開關變壓器方法共享一個與前面快速電容器相同的開關。拓撲如圖3-10.整個電池組的電流I流入變壓器T，變壓器的輸出經過二極管D校正后流入單體Bn.這由開關S的設置來決定，此外還要一個電子控制器件來選擇目標電池和設置開關S.

這種方法的均衡速度較快，但要消耗整個電池組的能量。此外還有缺點包括設計復雜，元件眾多，有控制器、電磁感應線圈和開關等，由于存在開關損耗和電磁損耗使得效率低下。

共享變壓器法只有一根磁芯，次級有線圈分別接在每一節單體。如圖3-11，電池組的電流I流入變壓器的初級，每一個次級分別出現感應電流。單體電池的電壓越低，它的電抗就越小，因而感應電流越大。用這種方法，每一節單體獲得的均衡電流與其SOC成反比。

在共享變壓器中，唯一的活動元件就是次級的轉換晶體管。不要閉合線圈，共享變壓器方法能快速而且低損耗的對電池組進行均衡。它的缺點也是復雜、元件眾多，因為每一個次級都要整流器件。

3.5.2本電池管理系統所采用均衡方法

本電池管理系統所采用的均衡方法根據上述方法中開關變壓器均衡法的原理，直接采用DC/DC開關電源，在充放電過程中根據檢測到的各單體電池的電壓值，判斷出要均衡充電的單節電池，用電池組的電量對該節電池進行額外的均衡充電，原理圖如下：

DC/DC開關電源選用了新星DOM-24D15S5，輸入電壓1836V，輸出電壓在4.65.5V可調，輸出電流為3A，實物圖如下：

3.6液晶顯示的實現

本電池管理系統選用DM12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字(16*16點陣)、128個字符(8*16點陣)及64*256點陣顯示RAM.重要技術參數和顯示特性：

電源：VDD3.3V5V(內置升壓電路，無需負壓);

顯示內容：128列*64行;LCD類型：STN;

與MCU接口：8位或4位并行/3位串行;

多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自含義字符、睡眠模式等。

本系統使用串行接口，電路原理圖如圖3-14所示。通過液晶模塊可顯示電池組總電壓，各單節電池電壓，充放電電流，充放電時間，工作溫度，剩余電量。

3.7串口通信的實現

鋰離子電池管理系統在鋰離子電池充放電過程中把充放電信息，包括各節電池的電壓，充放電電流，工作溫度，電池電量等經過采樣實時的寫入Flash存儲芯片SST25VF020中保存，在鋰離子電池充放電完畢后，可通過串口與上位pC機通信，在上位機檢查鋰離子電池的充放電過程，并可在上位機保存該次鋰離子電池的使用信息備以后參閱。

SST25VF020是SST25VF系列Flash存儲芯片。其芯片具有以下特點：總容量為2M;單電源讀和寫操作，工作電壓為2.73.3V;低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3uA;時鐘頻率高達33MHz，快速編程，快速擦除，快速讀取;數據保存100年;CMOSI/O兼容等。其封裝為SOIC和小尺寸的WSON封裝。MCU對要的數據進行采樣后，將采集到的數據通過SpI串行通信存儲到FLASH中。當系統通過異步串口和pC機相連時，通過SpI串行通信將儲存到FLASH中的數據讀到pC機中，從而對采集的數據進行分析、處理。將采集到的數據保存后，即可擦除FLASH，為下一次采集做準備。存儲電路如圖3-15所示：

該系統串行接口UART要和pC的串行接口RS232之間進行雙向通信，但是pC機的RS232接口電平采用負邏輯，即邏輯1：-3-15V，邏輯0：+3+15V.而單片機使用的TTL電平中，高電平(3.55V)為邏輯1，低電平(00.8V)為邏輯0.單片機要外接電平轉換電路芯片把TTL高電平表示的1轉換成RS232的負電壓信號，把低電平表示的0轉換成RS232的正電壓信號。是要解決電平轉換問題，本系統采用MAXIM公司的MAX232C電平轉換芯片來實現，該芯片集成度高，+5V電源供電(內置了電壓倍增電路及負電源電路)，只需外接幾個電容即可完成從TTL電平到RS232電平的轉換。硬件連接電路如圖3-16所示：