上圖為低8節電壓取樣電阻網絡，在該電路中，各極電壓都是通過兩個電阻對1V的基準電壓進行分壓取樣。如果采用和高8節一樣的方法直接對地分壓的話，會使差分信號中的共模信號過弱，不能滿足運放LMV324的工作要求，使其不能工作在線性區，因此需要采用各極電壓均對固定的1V基準電壓進行分壓的方式取樣，從而也保證所有電壓值均在1V以上的線性區。1V基準電壓的產生電路如圖3.18所示。

其中的VRER2.5是由單片機內部的AD采樣參考電壓輸出的2.5V標準電壓，該電壓經電阻分壓和跟隨器電路輸出后得到穩定的1V基準電壓，該電壓在小范圍內的波動不會對放電電路的輸出形成明顯的影響。

經過電壓采樣電阻網絡取樣后，我們需要把16路電壓信號分時的送入單片機的AD轉換器中。在這里選用四片多路開關芯片CD4052來構成高8路和低8路的多路開關電路。電路如圖3.19和圖3.20所示。

最后，將多路開關選通電路中的X路和Y路輸出一起接入放大電路中，其中X路輸出接VNIN，Y路輸出接VPIN，VPIN為同相輸入端，VNIN為反相輸入端。將每節電池的差分信號轉換為單極對地信號VADIN，然后送入單片機的AD通道進行轉換。電壓放大電路如圖3.21所示。

3.3.3電流采集電路

電流采集對于判斷是否需要短路保護是非常重要的一個參數。因此，我們需要實現對電流精確測量。

在這里，我們選用MAX4081作為檢測芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴密監視高壓電流的系統[41]，因此可以直接用電池組的最高電壓作為其供電電源。另外，芯片的參考電壓由系統提供，參考電壓值為1.5V.該芯片的引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-和RS+三個引腳的電壓狀態有關。當RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。

本電路的設計思路是首先在電池正極和保護器電路板之間串接一個分流器，RS-和RS+引腳分別接分流器兩端電壓。當回路沒有電流時，OUT引腳輸出電壓為參考電壓;電池放電時，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓，最低可輸出0V;對電池充電時，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。檢測電路如圖3.22所示。

3.3.4溫度采集電路溫度檢測確保了安全充電步驟的執行。由于本系統對溫度信號的精度要求不高，因此系統采用100K的熱敏電阻和1%精度的電阻分壓進行溫度檢測，共設計了四路溫度采集電路，每路的電壓信號直接進入單片機的AD通道進行轉換。溫度采集電路如圖3.23所示。

3.4均衡及保護電路設計

3.4.1保護電路設計

在第一章里我們就已經介紹過了，鋰離子電池在使用過程中，如果出現過充、過放或者短路的情況，會對鋰離子電池的容量和壽命產生很嚴重的影響，甚至會產生安全問題。因此，保護電路的設計是電池組監控管理系統中最重要的一環。

電池組監控管理系統在使用中主要依據單體電池的電壓、電流值和電池組的溫度值進行判斷，根據判斷結果看是否啟動相應的保護。其保護電路應當具備以下幾個功能：

⑴過充保護：鋰電池在充電過程中如果充電電壓超過4.2V，會對電池造成損害。

⑵過放保護：鋰電池在放電過程中如果充電電壓低于2.7V，會對電池造成損害。

⑶短路保護：用來保證電池在移動時的安全以及電池組的正常工作。

⑷過溫保護：由于本系統采用能量消耗型均衡法，因此系統電路板和電池組溫度會較高，需要過溫保護。

鋰電池組保護電路主要由短路保護信號檢測電路、中斷控制信號判斷電路、充放電驅動控制電路等組成。

⒈短路保護電路

電池組在移動和放電時，需要進行短路保護。短路保護電路主要由負載端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準電壓電路組成，其實質是由外部中斷通知單片機電池組需要進行短路保護，單片機在中斷程序中啟動短路保護，切斷主回路。

1V的基準電壓電路在前面已經作了介紹。在這里，首先介紹一下負載端電壓取樣電路。電池在放電時，放電電流在經過串聯的MOSFET管時，由于MOSFET管的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，這時負載的負端P-應該電壓很低。當電池組或負載出現異常使回路電流增大到一定值時，P-端的電壓將會迅速上升，因此二極管D4將會導通，通過電阻分壓得到一定電壓，該電壓信號與1V的基準電壓進行比較得到一個脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。短路保護電路如圖3.24所示。

⒉過充/過放電保護控制電路

除了短路保護外，電池組監控管理系統中還需有過充、過放保護電路。鋰電池組的充電方式選用的是恒流轉恒壓的方式，當電池出現過充、過放現象時可以及時的切斷充放電回路。

過充保護控制的基本思路是：當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到4.25V±0.05V時，MCU的控制信號CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關斷，起到過充電保護作用;相反，當電池電壓低于4.0V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導通，使充電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中P+為充電時充電機輸出的正極。

過放保護控制的基本思路是：在電池放電過程中，當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到2.7V±0.08V時，MCU的控制信號DISCHG輸出低電平使三極管Q17截止，使放電回路關斷，起到過放電保護作用;相反，當電池電壓高于2.9V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q17導通，使放電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中B+為放電時電池組輸出的正極。但是需要注意的是，在前面介紹了系統電源是從電池組最大電壓轉換而來的。當電池處于過放情況下，不可能再對系統提供大電流。因此要求過放保護電路處于低功耗狀態，整個保護電路耗電會小于0.1uA.

3.4.2均衡電路設計

在前面我們已經介紹過了，鋰離子電池在串聯使用時，對鋰電池組進行充電中，單體鋰離子電池之間會出現不均衡的問題，時間長了會導致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設計均衡保護電路。

本系統采用的是能量損耗型均衡方法。判斷方法是當電池組中某節電池單體電壓超過電池組平均電壓值0.2V時，我們認為電池組處于不均衡狀態，應當啟動均衡保護，打開旁路開關，通過分流電阻釋放能量。

均衡電路是保證串聯各電池電壓一致性的根本，從而也關系到電池使用壽命的長短。在充電狀態下，若檢測到某節電壓高于電池組平均單節電壓時，由單片機I/O口輸出高電平，從而使驅動三極管導通，相應節電池正極的電壓將對地形成回路，并在兩只電阻上形成分壓，從而使得均衡電路的PMOS開關導通，并在功率電阻上形成分流，系統采用12歐姆/5瓦的功率電阻，因此均衡電流可達300mA左右，同時和功率電阻并聯的LED指示燈會被點亮，說明該節電池處于被均衡的狀態。每節電池的均衡電路都是按照如圖3.26所示的電路并聯在電池正負極之間的。

3.5串行通信電路

串行通信電路用來與上位機進行通信，實現參數設置和數據上傳。芯片MAX232的電源通過跳線來確定是否供電，因此在不需要與上位機通信時，可將其電源斷開，從而降低系統功耗。如圖3.27所示。

3.6小結

在本章中，我們根據系統要求，首先提出了對電池組進行監控管理的總體方案。然后根據系統的性能和功能要求，完成了對單片機的選型以及信號采集電路和保護電路的方案選擇。最后根據電路設計方案分別對各個電路進行了詳細的分析和闡述。系統的硬件設計是軟件設計的基礎，為軟件設計搭建了平臺。

該系統的硬件電路已經完成了PCB板的制作。繪制硬件電路的過程是一個學習的過程。在這個過程中，我們需要充分考慮各方面的因素，例如電源與地、模擬與數字以及電路的抗干擾能力等。任何一個因素都可能會對系統的正常運行產生很大的影響，需要不斷優化布局布線。另外，該硬件電路除了應當能滿足系統的功能要求外，還需要有一定的擴展能力，這些都是在設計過程中需要解決的問題。在設計的過程中還出現了單片機不能正常工作的情況，經過檢測，發現是由于晶振的設置不對。總之，在硬件設計的過程中， 可以學到了很多知識，將理論與實踐逐漸結合起來，為今后的硬件開發打下了基礎。