包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻是電極材料及鋰離子在電解質(zhì)中的移動(dòng)阻力造 成的；極化包括電化學(xué)極化和濃差極化。
2) 電池容量 包括理論容量、額定容量、實(shí)際容量。
3) 開路電壓和工作電壓 開路電壓指電路中無(wú)電流時(shí)，且除去極化電壓后，電池正負(fù)極之間的內(nèi)電勢(shì)差。工
作電壓在充電時(shí)由于電池內(nèi)阻的作用，會(huì)高于開路電壓，而放電時(shí)則低于開路電壓。通 常，通過直接測(cè)量電池正負(fù)極我們?nèi)菀椎玫诫姵氐墓ぷ麟妷�，它是開路電壓、歐姆內(nèi)阻 壓降和極化內(nèi)阻電壓的合成電壓。
4) 充放電倍率 充放電倍率指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電池放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，1C 在數(shù)值
5) 自放電率 由于電池材料的雜質(zhì)問題，電池產(chǎn)生的自發(fā)放電現(xiàn)象。
6) 充電效率和放電效率 充電效率是電池充電時(shí)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能程度的量度。影響因素一般是電池工藝和
（至終止電壓）與電池的額定容量之比，影響因素一般是放電倍率，環(huán)境溫度，電池內(nèi) 阻。放電倍率越高，放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。
7) 循環(huán)次數(shù) 循環(huán)充電一定周期后，電池容量下降到某一值時(shí)，充電的周期次數(shù)。 根據(jù)文獻(xiàn)[9]所做研究：所選電池單體容量為1.25Ah，工作電壓范圍 3.0 至 4.2V。 充電：先以 550mA 恒流充電然后以 4.2v 恒壓充電至電流小于 50mA。所測(cè)電池電
壓隨時(shí)間變化曲線如圖 2.2 充電曲線圖。放電：以 550mA 恒流放電至 3.0v。所測(cè)電池 電壓隨時(shí)間變化曲線如圖 2.3 放電曲線圖。
圖 2.2 充電曲線圖 圖 2.3 放電曲線圖由放電曲線圖電池工作電壓范圍內(nèi)電池開路電壓隨時(shí)間變化可估算出 SOC 與開路 電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。顯然在剩余電量偏低時(shí)，開路電壓不與剩余電量程線性關(guān)系。
文獻(xiàn)[9]同樣通過測(cè)算在不同荷電狀態(tài)下（對(duì)應(yīng)開路電壓下）電池交流內(nèi)阻的大小， 得出了電池荷電狀態(tài)增大，則電池的交流內(nèi)阻增大的結(jié)論。
由文獻(xiàn)[10]所得結(jié)論知，25℃充電至滿，不同溫度放電，對(duì)電池容量的影響不大， 但溫度越低，總的來說，可放出電量越少。
文獻(xiàn)[11]指出了電池內(nèi)阻與電池老化水平的關(guān)系。結(jié)果表明，電池循環(huán)次數(shù)越多， 極化內(nèi)阻越大，而歐姆內(nèi)阻基本保持不變。因此車用鋰離子電池循環(huán)使用后性能變差的 原因主要是由于極化內(nèi)阻的加大，此時(shí)電池的高倍率放電能力降低。因此基于安全性的 考慮，同時(shí)為保證電池循環(huán)次數(shù)，兩端剩余電量區(qū)間，尤其是低剩余電量時(shí)，不宜采用 大電流充放電，需同時(shí)進(jìn)行過壓、欠壓保護(hù)[12]。
荷電狀態(tài)（SOC；State Of Charge）是電池狀態(tài)估計(jì)的一個(gè)核心參數(shù)，它能夠很好 的反映剩余電量的多少。對(duì) SOC 的定義，業(yè)界普遍認(rèn)同的是指電池剩余電量與電池額 定電量的比值：
2.2.1 荷電狀態(tài)（SOC）影響因素
對(duì)電動(dòng)汽車電池組而言，影響電池荷電狀態(tài)的因素主要有以下幾點(diǎn)：
1) 充放電倍率 放電倍率越大，荷電狀態(tài)越低，因?yàn)橛捎陔姵貎?nèi)阻的影響，一部分能量被內(nèi)阻內(nèi)耗
吸收掉，電池能夠釋放的能量也越低。
2) 電池溫度 電池工作時(shí)的周圍環(huán)境溫度對(duì)荷電狀態(tài)的影響十分重要。這是由于溫度對(duì)鋰離子電
池化學(xué)反應(yīng)速率的影響造成的，當(dāng)電池溫度上升時(shí)，電池中活性物質(zhì)的活性更高，放電 時(shí)，電池單體能夠釋放出比平時(shí)更多的電量。反之，當(dāng)溫度降低時(shí)，反應(yīng)活性降低，導(dǎo) 致電離子的數(shù)量減少，電池單體能夠釋放的能量比標(biāo)稱容量少。但是，如果充電時(shí)溫度 較高，則會(huì)致使化學(xué)反應(yīng)過快，造成氣體析出，極板結(jié)晶等一系列更嚴(yán)重的問題，所以 溫度是影響荷電狀態(tài)的重要因素之一。
3) 自放電率 電池在長(zhǎng)期存放過程中，不可避免的存在自發(fā)放電的現(xiàn)象，盡管鋰離子電池的自放
電率十分低，但仍然存在。通過長(zhǎng)期測(cè)量可以校準(zhǔn)，對(duì)鋰離子電池而言，實(shí)際中也可忽 略。
4) 電池老化 隨著電池循環(huán)次數(shù)的增多，電池單體不可避免會(huì)產(chǎn)生不同程度的老化，此時(shí)電池容
量降低，直至不可使用。這會(huì)影響 SOC 的估算結(jié)果，需要對(duì)電池額定容量進(jìn)行修正。
2.2.2 荷電狀態(tài)常用估計(jì)方法
目前，存在以下幾種常見估算方法[13; 14]：
1) 開路電壓法 荷電狀態(tài)按定義是計(jì)量電量多少的參數(shù)，直覺上感覺應(yīng)與電壓無(wú)關(guān)，但實(shí)際上，由上節(jié)所述電池單體放電曲線圖可知，開路電壓（OCV；Open Circuit Voltage）與荷電狀
態(tài)存在一定的一對(duì)一映射關(guān)系。通過測(cè)量電池 OCV-SOC 曲線，即可憑借開路電壓估算荷電狀態(tài)。但是由于 OCV-SOC 曲線隨著電池溫度變化、隨電池老化情況變化、并且當(dāng) 電池放電后，極化內(nèi)阻不能忽略，存在極化電阻電壓，需要長(zhǎng)時(shí)間靜置，才能消除影響， 測(cè)得準(zhǔn)確的開路電壓，存在一定的滯后性。因此這種方法具有不穩(wěn)定性，需要按條件修 正，因此使用受限。
2) 電池內(nèi)阻法
這一方法是由日本 CHUGOKU Electric Power Co.Inc.提出的，用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽 車動(dòng)力電池剩余電量 SOC 的估算。方法的具體流程是首先用不同頻率的交流電激勵(lì)電 池，與此同時(shí)測(cè)量電池交流電阻，最后通過計(jì)算模型得到 SOC 信息。但是，這種方法 并不常用，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)比較困難，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難建模。因此，很少在電池管理系 統(tǒng)中應(yīng)用這種方法。
3) 安時(shí)積分法 此方法是剩余電量估算的原理性方法，安時(shí)積分法的直觀表達(dá)就是，剩余電量等于
總電量減去已使用電量，在已知總電量的條件下，通過測(cè)量已使用電量，來推算剩余電 量。這里，我們利用了黑盒原理，不去關(guān)注電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，也不去關(guān)注電池內(nèi)部 的電氣特性，把一個(gè)電池單體當(dāng)做一個(gè)黑盒，只關(guān)注它的外特性，通過測(cè)量它累計(jì)向外 部輸出了多少能量，計(jì)算剩余電量。同時(shí)需要根據(jù)溫度，放電率對(duì)測(cè)算結(jié)果進(jìn)行修正。 剩余容量與放電倍率也是密切相關(guān)的，只要電池以某較大電流放電，若已達(dá) OCV 截止 電壓，此時(shí)若以某小電流放電，電池仍能放出一部分能量。安時(shí)積分法通過計(jì)算充入的 電量和釋放出的電量，迭代循環(huán)上一刻剩余電量與電量積分量，推算此刻剩余電量。算
法簡(jiǎn)單有效。是目前較為流行的方法。迭代公式如下：
這是對(duì)某一系統(tǒng)內(nèi)的一系列狀態(tài)量做出最小方差的最優(yōu)估計(jì)算法。是一種精確測(cè)量 電池組剩余電量的方法。通常卡爾曼濾波法僅用于線性系統(tǒng)，對(duì)于非線性系統(tǒng)，常常使 用擴(kuò)展卡爾曼濾波法�？柭鼮V波法能夠有效的濾除測(cè)量噪聲，提高精度。這些算法的 基本思想是通過系統(tǒng)的建模方程算出狀態(tài)量的估計(jì)值，再結(jié)合當(dāng)前的測(cè)量值不斷修正。
一個(gè)狀態(tài)。通過建立相應(yīng)的電池?cái)?shù)學(xué)模型，列出狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，利用迭代遞推的 原理估算當(dāng)前電池荷電狀態(tài)�？柭鼮V波法有兩個(gè)弊端，一是過于依賴模型的準(zhǔn)確度， 二是需要處理過多矩陣運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜，對(duì)硬件資源有很高的要求[15]。
論述測(cè)量方法之前，需要簡(jiǎn)單的介紹一下電壓測(cè)量的背景知識(shí)。本質(zhì)上，電壓是系 統(tǒng)中感興趣的兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差。但是，容易混淆的地方就在于參考點(diǎn)的選擇。就目前 的電子設(shè)備而言，參考點(diǎn)默認(rèn)是指系統(tǒng)中的公共地�！暗亍边@個(gè)術(shù)語(yǔ)源于電力裝置直接 與大地相連以保證電勢(shì)為 0 的應(yīng)用慣例。通常在一個(gè)系統(tǒng)中，只有一個(gè)公共地，是穩(wěn)定 不變的。電池組大多是有幾十個(gè)電池單體串聯(lián)而成，總電壓高，想要測(cè)量每個(gè)電池單體 的電壓有以下方法：
1) 共模測(cè)量法 它的基本原理是電阻分壓，選定最外端電池負(fù)極為公共地，然后設(shè)計(jì)一個(gè)分壓電阻
網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量每一節(jié)電池單體正極相對(duì)于公共地的電壓，接著逐個(gè)求得相鄰正極的電壓差， 得到每節(jié)電池電壓。該方法原理簡(jiǎn)單也易實(shí)現(xiàn)。但由于需要設(shè)計(jì)電阻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電阻的精 度要求高，容易帶來隨機(jī)誤差。并且電池越多，電阻越多，誤差越大。
2) 選通測(cè)量法 通過開關(guān)選通某一節(jié)電池單體，測(cè)量電池單體差分電壓。由于串聯(lián)電池單體多，離
地越高共模電壓越高，此時(shí)容易造成芯片被高壓擊穿。由于總電壓可能高達(dá)幾十伏甚至 幾百伏，直接將電壓信號(hào)接入模擬開關(guān)或者采樣芯片都是不明智的。一般通過繼電器選 通，先用電池單體差分電壓對(duì)某一飛跨電容進(jìn)行充電，然后控制繼電器斷開電池，測(cè)量 芯片測(cè)量飛跨電容上的電壓即是電池單體電壓，以此解決共地問題、高共模電壓?jiǎn)栴}。 這是一種差模測(cè)量方法。顯然經(jīng)過繼電器的反應(yīng)時(shí)間、電容的充電時(shí)間，測(cè)量時(shí)間變長(zhǎng)， 且存在精度問題。
3) 獨(dú)立地測(cè)量法 前述差模方法中，最關(guān)鍵的問題主要是共模電壓過高的問題，那么將電池組的地與
電池管理系統(tǒng)的地隔離獨(dú)立開來，直接測(cè)量單電池的差分電壓，即可解決高共模電壓?jiǎn)?題，同時(shí)為解決采樣芯片的共地問題，需要信號(hào)調(diào)理電路[16]。
1) 采樣電阻法 使用采樣電阻將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，再通過測(cè)量電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最后計(jì)算對(duì)
應(yīng)電流值。電阻采樣技術(shù)，原理簡(jiǎn)單，采樣精度高。但是這種方法的弊端在于，采樣電 路會(huì)消耗一部分功耗，產(chǎn)生壓降，拉低電源效率。若用于小功率系統(tǒng)，影響明顯。且無(wú) 法電源隔離。若用于大功率系統(tǒng)，不保證耐壓等安全問題。
2) 霍爾傳感器法 利用電生磁原理和霍爾效應(yīng)，將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值。它的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的，首先，
電流輸入端與測(cè)量端有良好的電隔離，耐高壓。其次，它的頻響范圍寬，響應(yīng)速度快， 有利于采樣速率提高[17]。但是，霍爾傳感器多用于測(cè)量大電流，對(duì)小電流的測(cè)量精度達(dá) 不到要求。
本章分為三節(jié)，從電動(dòng)汽車的分析角度，簡(jiǎn)要介紹了一些相關(guān)理論知識(shí)。包括對(duì)電 動(dòng)汽車動(dòng)力電池的工作原理，鋰離子電池的充放電特性做了簡(jiǎn)單論述，對(duì)鋰離子電池的 性能問題做了簡(jiǎn)要介紹。對(duì)荷電狀態(tài)估算的四種主要影響因素做了簡(jiǎn)要闡述，并介紹了 幾種常見的估算方法，結(jié)合前文分析、各估算方法優(yōu)缺點(diǎn)，本文主要結(jié)合開路電壓法和 安時(shí)積分法對(duì)荷電狀態(tài)進(jìn)行估算。這樣既保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，又降低了算法的復(fù)雜度。 最后就串聯(lián)電池組的電壓電流采樣存在的問題，簡(jiǎn)要的介紹了幾種方案。本文對(duì)電壓采 樣的方法主要是獨(dú)立地測(cè)量法，對(duì)電流測(cè)量使用采樣電阻法。
硬件的合理設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的前提，只有得到了電池的原始相關(guān)信息，才能對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電池管理的功能。本章從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件的功能模塊，介紹了電 池管理系統(tǒng)硬件電路的原理，硬件實(shí)物的搭建在最后一章中給出。
電動(dòng)汽車上存在電磁環(huán)境復(fù)雜、強(qiáng)電弱電要隔離、空間有限等問題，而電池管理系 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是功能實(shí)現(xiàn)的前提，總方案的確定，需要從以下方面考慮：
就目前產(chǎn)品化 BMS 而言，硬件結(jié)構(gòu)上可分為三類：集中型、分散型、集成型[18]。 集中型成本低、安裝方便，但是數(shù)據(jù)采集不精確。分散型采集信息準(zhǔn)確度高，但安裝難 度大，靈活性差，不易修改設(shè)計(jì)。集成型的 EMC 性能好、數(shù)據(jù)精度高，但靈活性差、 可擴(kuò)展性差。
本文結(jié)合現(xiàn)有方案，采用主控板+巡檢板的雙板設(shè)計(jì)，將巡檢板安裝與電池組內(nèi)部 或附近的箱體之中，將主控板安裝于車體用戶附近。主控板與巡檢板之間通過總線連接， 通信方便，縮減了線束復(fù)雜度。巡檢板負(fù)責(zé)基本信息的采集，荷電狀態(tài)結(jié)果的估算。由 于巡檢板在電池組附近，避免了箱體之間直接連接功率線路的問題，同時(shí)縮短了傳輸線， 不易受汽車上復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性有保障，同時(shí)節(jié)省了空間。主控 板負(fù)責(zé)展示、存儲(chǔ)信息，用于用戶交互。硬件整體結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D 3.1 所示。具體芯片及 元器件的選型如下文所述。
本文所設(shè)計(jì)的鋰離子電池管理系統(tǒng)，主要用于以鋰離子電池作為動(dòng)力源的純電動(dòng)汽 車上，需要完成電池組電池單體電壓的測(cè)量、電池組電流的測(cè)量、電池單體溫度的測(cè)量、 荷電狀態(tài)的估算、用戶交互、閾值報(bào)警、總線通訊等功能。需要有強(qiáng)大的處理速度和計(jì) 算功能，I/O 資源需要足夠多，要有寬泛的工作溫度范圍，同時(shí)要有足夠的程序儲(chǔ)存空 間。同時(shí)結(jié)合成本要求的考慮，可從汽車電子常用單片機(jī)中選型。事實(shí)上，單片機(jī)家族 “浩如煙�！�，各種各樣的應(yīng)用于各種場(chǎng)合，各種價(jià)位的單片機(jī)層出不窮。
由意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核芯片 STM32F103 就是一種很 好的選擇。作為 ARMv7 架構(gòu)中第一款亮相的Cortex 系列,CM3 處理器集高性能、高代 碼密度、小硅片面積等優(yōu)點(diǎn)于一身，是汽車電子中的“翹楚”。CM3 處理器性能高，中 斷等待時(shí)間短，能用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。CM3 處理器內(nèi)嵌中斷向量控制器，支持上百外部中 斷，又高度集成，同時(shí)成本價(jià)格低廉[19]。STM32 有很多優(yōu)異之處，如外設(shè)眾多，SPI、 I2C、USART、ADC、DAC、TIMER、DMA、RTC 等常見外設(shè)都有集成；型號(hào)眾多， F10x 系列有上十種型號(hào)可供選擇，同時(shí)各種諸如 QFN、LQFP、BGA 封裝可供選擇； 功耗控制優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗；并且開發(fā)時(shí)不需要昂貴的仿真器，通過 Jlink 仿真或 串口即可燒寫代碼[20]。結(jié)合本文研究實(shí)際，最終選定 STM32F103 這款 ARM 單片機(jī)， 它在十元人民幣之內(nèi)就可購(gòu)得。作為低成本電池管理系統(tǒng)的主控芯片再適合不過了。
FLASH 從 32K 到 512K 字節(jié)不等，最大可支持 64KB 的 SRAM 運(yùn)行內(nèi)存。結(jié)合研究實(shí) 際，選定了 STM32F103RBT6 這款芯片（128K 字節(jié) FLASH），芯片原理圖如圖 3.2 所示：
圖 3.2 STM32F103RBT6 原理圖 本設(shè)計(jì)中使用到了 STM32 單片機(jī)的如下集成外設(shè)：
STM32F103RBT6 共有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 三組 16 位通用 IO 口，外加 GPIOD_1， GPIOD_2 兩位 IO 口，每位 IO 有八種輸入輸出模式（輸入浮空、輸入上拉、輸入下拉、 模擬輸入、開漏輸出、推挽式輸出、推挽式復(fù)用功能、開漏復(fù)用功能）。
芯片內(nèi)部集成 12 位逐次漸進(jìn)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè) ADC 模塊都有 18 個(gè)通道（16 個(gè) 外部信號(hào)，2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)），轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.17us（系統(tǒng)時(shí)鐘 72MHz），ADC 輸入時(shí)鐘不 能超過 14MHz，各通道有四種轉(zhuǎn)換模式（單次、連續(xù)、間斷、掃描）。
備份寄存器位于備份區(qū)域，當(dāng)主電源 VDD 掉電后，可通過 Vbat 電池供電，維持?jǐn)?shù) 據(jù)，系統(tǒng)復(fù)位或電源復(fù)位也不會(huì)清除之中的數(shù)據(jù)�？偣舶� 42 個(gè) 16 位寄存器，可存儲(chǔ)
7) RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 由獨(dú)立連續(xù)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，也處于系統(tǒng)備份區(qū)域，斷電后可電池供電，提供時(shí)鐘日歷
通用定時(shí)器由可編程 16 位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成，本系統(tǒng)中用于 SOC 算法（安時(shí)積 分法）計(jì)算積分時(shí)間，以及用戶交互過程中，忽略報(bào)警倒數(shù)計(jì)時(shí)。
電源電路是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，電動(dòng)汽車的電池組電壓范圍變化寬，不利于 穩(wěn)壓，同時(shí)電壓采樣模塊使用了獨(dú)立地方法，因此，電池管理系統(tǒng)的電源獨(dú)立提供。
STM32F103 工作電壓為 2.0V 到 3.6V，芯片內(nèi)部集成調(diào)壓器提供 1.8V 數(shù)字電源， 當(dāng)主電源 VDD 斷電時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 和備份寄存器 BKP 可通過 Vbat 供電。通常數(shù)字 系統(tǒng)選擇 3.3V 的穩(wěn)定工作電壓。STM32 芯片的 ADC 模塊測(cè)量電壓范圍上下限由 VSSA 和VDDA 決定，通常并入主電源 VDD 中。系統(tǒng)中還有信號(hào)調(diào)理電路需要使用 5V 的電 源，因此選擇 5V 的獨(dú)立穩(wěn)壓電源，同時(shí)利用 LDO芯片進(jìn)行 DC-DC 穩(wěn)壓產(chǎn)生 3.3V 電 源如圖 3.3 所示：
1.3V，負(fù)載調(diào)整率最大 0.4%，穩(wěn)定性滿足要求。圖 3.3 中 BUTTOM 為一自鎖開關(guān)，電 容 C6、C8 用于濾除低頻紋波，電容 C7、C9是高頻旁路電容。
STM32 有三種時(shí)鐘信號(hào)源（高速內(nèi)部時(shí)鐘 HSI、高速外部時(shí)鐘 HSE、PLL 時(shí)鐘） 且這些設(shè)備還有兩種二級(jí)時(shí)鐘（40K 低速內(nèi)部時(shí)鐘、32.768K 低速外部時(shí)鐘），總共需要 外界兩種晶體振蕩器。如圖 3.5 所示：
STM32 可以通過串口下載代碼，但目前大多數(shù)上位機(jī) PC 機(jī)已不帶串口接口，因此 使用 USB 轉(zhuǎn)串口芯片轉(zhuǎn)換，用于兼容 USB 接口。并且，電源也來自 USB 接口，只要 一根線即可實(shí)現(xiàn)供電、串口程序燒寫、串口調(diào)試三種功能。
BOOT 模式選擇引腳 | 啟動(dòng)模式 | 說 明 | |
BOOT1 | BOOT0 | ||
X | 0 | 主閃存存儲(chǔ)器 | 主閃存存儲(chǔ)器被選作啟動(dòng)區(qū) |
0 | 1 | 系統(tǒng)存儲(chǔ)器 | 系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選作啟動(dòng)區(qū) |
1 | 1 | 內(nèi)嵌 SRAM | 內(nèi)嵌 SRAM 被選作啟動(dòng)區(qū) |
當(dāng)下載程序時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇系統(tǒng)存儲(chǔ)器模式，因此為實(shí)現(xiàn)一鍵下載功能，設(shè)計(jì)如下下載 電路如圖 3.6 所示：
STM32 串口 ISP 代碼燒寫的流程是：首先， BOOT0 置高（BOOT1 置低）進(jìn)入系 統(tǒng)存儲(chǔ)器，接著，單片機(jī)復(fù)位進(jìn)入 ISP 模式，最后，串口下載代碼。所以為實(shí)現(xiàn)一鍵下 載，首先要控制 PL2303_RTS_N 引腳為低電平使 BOOT0 置高，然后控制 PL2303_DTR_N 引腳為高電平使復(fù)位引腳 NRST 置低，保持一段時(shí)間，再使 PL2303_DTR_N 引腳為低 電平結(jié)束復(fù)位，STM32 芯片加載 ISP 代碼，進(jìn)入代碼更新模式，此時(shí)就可以通過串口下 載程序代碼了。
TFT 顯示模塊位于主控板上，是用戶交互的主要途徑，顯示屏用以展示基本數(shù)據(jù)信 息和剩余電量信息、報(bào)警信息、報(bào)警閾值設(shè)定界面等，配合觸摸屏可進(jìn)行閾值設(shè)定，解 除報(bào)警等操作。
本設(shè)計(jì)中所使用的 LCD 顯示屏是一款具有 26 萬(wàn)色，分辨率為 240X320 像素的彩色 液晶顯示屏，物理尺寸為 2.8 英寸，顯示屏的驅(qū)動(dòng) IC 為 ILI9341，支持串行模式連接和 并行模式連接，本設(shè)計(jì)使用并行模式共 23 根引腳（VDD、GND、16 位并行數(shù)據(jù)口、4 位控制口、1 位背光控制）。觸摸屏是四線電阻觸摸屏，控制 IC 是 XPT2046。觸摸屏模 塊使用 SPI 接口通信，共 6 根引腳（VDD、GND、4位 SPI 通信總線、1 位中斷觸發(fā)）。 如圖 3.8 所示：
圖 3.9 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)使用有源蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)顯示屏上給出提示信息。R24 是限流電阻。
結(jié)合上文分析，本設(shè)計(jì)結(jié)合差模測(cè)量法，并應(yīng)用獨(dú)立地法，克服高共模電壓的問題， 設(shè)鋰離子電池的工作電壓范圍為 3.0V 至4.2V，而 STM32 單片機(jī) AD 采樣的模擬輸入范 圍為 VSSA 至 VDDA 即 0V 至 3.3V。設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路如圖 3.12 所示。
本設(shè)計(jì)使用軌到軌 LMV324 運(yùn)算放大器構(gòu)成典型全差動(dòng)運(yùn)放電路也稱為儀器儀表 放大器，由 U29B 及 U29C 構(gòu)成差分運(yùn)放前級(jí)電路、由 U29A 構(gòu)成中間級(jí)反相放大電路、 最后由 U29D 構(gòu)成電壓跟隨。U29B 為差動(dòng)輸入（輸入信號(hào)+），U29C 為差動(dòng)輸出（輸入 信號(hào)-），前級(jí)電路的放大倍數(shù)為 A1。U29A 是基本型差分比例電路，其放大倍數(shù)為 A2。 電壓跟隨器的放大倍數(shù)為 1，用于隔離緩沖，其輸入電阻趨于無(wú)窮大，輸出電阻趨于 0 。 具體電路分析如下：
INA333 是軌到軌放大器，輸出電壓寬，電源抑制比好，增益倍數(shù)小于 100 時(shí)，增 益誤差最大值小于 0.25%，溫漂小典型值為 ?15ppm?C。同時(shí)壓擺率在增益 100 時(shí)能達(dá) 到 0.05V/s。本設(shè)計(jì)采樣周期小于 200ms，所選芯片滿足要求。REF3320 是一款電壓基 準(zhǔn)芯片，輸出電壓 2.048V 輸出噪聲為 55uVpp，穩(wěn)定度高。
通過在采樣電阻電壓信號(hào)上疊加已電壓基準(zhǔn)使得正負(fù)不同區(qū)間電壓平移至合適區(qū) 間。電路形式如圖 3.13 所示，基準(zhǔn)電壓通過加至INA333 的電壓偏置引腳，同時(shí)差分采 樣信號(hào)加上基準(zhǔn)偏壓，此時(shí)采樣電阻電壓零點(diǎn)被挪至 2.048V。增益調(diào)節(jié)電阻即為圖中R39。U33 是由 OP07 運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器。
3.3.2 選通隔離電路 出于安全性考慮，電池管理系統(tǒng)與電池單體之間增加了光耦隔離。 為了應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池組電池單體多的問題，使用循環(huán)選通的方法節(jié)約巡檢板主控芯片
的 I/O 資源，同一時(shí)刻只測(cè)量一路電池單體電壓信號(hào)，通過控制各路光耦開關(guān)，選擇不 同電池單體。電路原理如圖 3.14 所示。
模擬開關(guān)本設(shè)計(jì)選用德州儀器公司的單片八路數(shù)據(jù)選擇器 CD4051。光耦選用日本 松下公司生產(chǎn)的 AQW214S。上圖中，CD4051芯片 EN 端為使能端，低電平有效，不使 能時(shí) X0-X7 輸出高阻態(tài)，使能后，由地址線 A、B、C 指定輸出端口，Xi = X 的數(shù)據(jù)狀 態(tài)，如 CBA = 011，則 X3 = X。CD4051 的 I/O 端口不足以驅(qū)動(dòng)光耦，因此增加了驅(qū)動(dòng) 三極管 Q21、Q22，光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.15 所示
圖 3.15 光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu) 發(fā)光管陽(yáng)極已上拉電源，若驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，發(fā)光管接地導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)光耦導(dǎo)通；若
耦截止。因此，只要按時(shí)序循環(huán)選擇導(dǎo)通各路光耦，就能實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)各路電池單體電 壓的功能。AQW214 光耦的輸出側(cè)導(dǎo)通電阻典型值為 30 歐姆，對(duì)測(cè)量精度影響不大， 滿足要求。
溫度測(cè)量使用美國(guó) Dallas 公司設(shè)計(jì)的單總線溫度測(cè)量芯片 DS18B20，單總線技術(shù)縮 減了系統(tǒng)布線復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。
按照總線協(xié)議規(guī)定的時(shí)序和波形，對(duì)掛載到總線上的各從機(jī)識(shí)別，數(shù)據(jù)交換。單總線定 義了一條信號(hào)線兼具地址線、控制線、數(shù)據(jù)信號(hào)線的功能，通過嚴(yán)格的時(shí)序保證信號(hào)的 正確傳輸。同時(shí)不同從機(jī)（芯片）都定義了唯一的 ID 序列號(hào)，通過尋址識(shí)別序列號(hào)， 分辨不同從機(jī)，使各從機(jī)串行分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。
每個(gè) DS18B20 在出廠時(shí)，內(nèi)部 ROM 中都存儲(chǔ)了各自的 64 位 ID 序列號(hào)，方便識(shí)別。 它的溫度測(cè)量范圍為-55℃至+125℃，測(cè)量精度為 0.5℃，提供 9 位數(shù)字溫度讀數(shù)。
控制器局域網(wǎng)（CAN；Control Area Network）是由德國(guó) Bosch 公司開發(fā)的一種多主 機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，是 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是目前國(guó)際上應(yīng)用的最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總 線之一，尤其在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛。CAN 總線可靠性高、特別適合工業(yè)設(shè)備單元互聯(lián)， 通信介質(zhì)可以是雙絞線、光纖、或者同軸電纜。CAN 總線有以下特點(diǎn)
2) 理論上，網(wǎng)絡(luò)中可接入節(jié)點(diǎn)是無(wú)限制的。當(dāng)然受實(shí)際物理電氣特性影響，有節(jié)點(diǎn)接 入數(shù)目限制，目前最多達(dá) 110 個(gè)[21]。
息，當(dāng)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，逐位仲裁比較，優(yōu)先級(jí)高的傳送，優(yōu)先級(jí)低的立刻 終止傳送。
6) 支持單元檢錯(cuò)，并發(fā)送錯(cuò)誤幀，支持屏蔽持續(xù)錯(cuò)誤單元。 這些特點(diǎn)使得 CAN 總線成為汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)通信模塊。
CAN 總線使用一對(duì)差分傳輸線傳送物理信號(hào)，分別用 CAN_H 和 CAN_L 表示，在 傳輸線上用“顯性”（Dominant）、“隱性”指示數(shù)字系統(tǒng)中的“0”、“1”邏輯值，當(dāng)傳 輸邏輯“0”時(shí)，差分線上傳輸“顯性”信號(hào)，此時(shí) CAN_H 程高電平、CAN_L 程低電 平，存在差分電壓；當(dāng)傳輸邏輯“1”時(shí)，差分線上傳輸“隱性”信號(hào)，此時(shí) CAN_H、 CAN_L 的電平相同，差分電壓為零。如圖 3.17 所示。
隱性信號(hào)電平規(guī)定為 2.5V，當(dāng)總線“空閑”時(shí)或傳送“1”時(shí)出現(xiàn)。顯性信號(hào)高電 平規(guī)定為 3.5V，低電平規(guī)定為 1.5V，當(dāng)總線傳送“0”時(shí)出現(xiàn)。
硬件原理設(shè)計(jì)完畢后，即可繪制對(duì)應(yīng)元器件硬件封裝圖，繪出 PCB 設(shè)計(jì)圖，完成 電路板的設(shè)計(jì)。最后即可焊接元器件，制作出實(shí)物，驗(yàn)證產(chǎn)品功能了。
本設(shè)計(jì)中存在小信號(hào)放大電路，數(shù)字電路等各種不同電路，貼裝元件體積都十分靈 巧，便于集成，不同電路、不同元器件集中在一起，若不合理安排空間，設(shè)計(jì)線路，必 然會(huì)相互干擾，對(duì)電路功能產(chǎn)生影響。所以需要考慮電磁兼容問題，電磁兼容是指在同 一電磁環(huán)境下工作的各種系統(tǒng)、設(shè)備能夠正常工作，互不干擾。合理的設(shè)計(jì)，既能保證 電磁兼容，又能使調(diào)試更加方便。
1) PCB 板的尺寸，層數(shù)； 本系統(tǒng)需要手工焊接，因此元器件大小要適中，電阻電容的規(guī)格統(tǒng)一選擇 0805 大
小的封裝。電路板尺寸應(yīng)根據(jù)元器件的尺寸、原理圖合理設(shè)計(jì)。尺寸太大，空間利用率 低，導(dǎo)線變長(zhǎng)，阻抗變大，對(duì)電路的影響越大，抗干噪能力越低。尺寸太小，空間太過 密集，若存在功率器件，散熱必然產(chǎn)生問題，同時(shí)不利于布線，容易產(chǎn)生線間干擾。印制電路板層數(shù)一般可分為單層板、雙層板、多層板（偶數(shù)），單層板多用于低密度電路 板，雙層板多用于中密度、模數(shù)混合電路、而多層板多用于高密度、高頻信號(hào)、模數(shù)混 合電路[23]。本設(shè)計(jì)使用雙層板。巡檢板尺寸為 82mm x 99mm，主控板尺寸為 66mm x
2) 元器件布局 按電路原理分模塊、分區(qū)布局，分模塊指以功能單元的核心元器件為中心，就近布
局，縮短不必要導(dǎo)線距離，元器件間距合理，整齊緊湊。分區(qū)是指按電路的屬性，將模 擬電路、數(shù)字電路等不同信號(hào)類型的電路放置于不同空間區(qū)域上，同時(shí)也要注意不同電 壓范圍的元器件空間布局上的距離，電位差大的電路，間距要適當(dāng)增加�？臻g上，元器 件排列要整齊，保持平行排布，這樣有利于信號(hào)流通，信號(hào)完整性更好，同時(shí)也有利于 焊接。接插件最好統(tǒng)一放置在電路板一側(cè)，防止連線后產(chǎn)生環(huán)路輻射。避免信號(hào)環(huán)路與 電源環(huán)路重疊。板邊緣的元器件過重要考慮板子的機(jī)械強(qiáng)度，一般離邊緣不小于兩毫米。
電源線與信號(hào)線著重分隔開來，避免功率線路對(duì)信號(hào)線的干擾。布線過程中，要避免長(zhǎng) 距離的平行線，極易耦合，產(chǎn)生串?dāng)_。無(wú)法避免長(zhǎng)距離，兩兩信號(hào)線之間，可增加一根 平行的接地線，能有效減少干擾。對(duì)雙層板而言，上下兩層的信號(hào)走線一般是垂直的， 這樣能最大程度減少線間耦合。另外，對(duì)線寬、線間距、拐角形狀的設(shè)定也很重要。線 寬主要由電流大小決定，銅箔厚度確定后，按最大電流決定最小線寬，本設(shè)計(jì)中最小線 寬為 8mil。線間距由電壓和絕緣電阻決定。布線過程中避免直角，極易輻射，影響其他 電路。一般選擇 45 度拐角。電源的線寬建議大一些，間距也大一些。另一個(gè)重要的部 分就是地線的布線了，模擬地、數(shù)字地、機(jī)殼地要隔離，最后單點(diǎn)連接，如通過磁珠或 零歐電阻連接。通過大面積鋪銅縮短回路，提供統(tǒng)一電勢(shì)參考平面。集成芯片的電源與 地之間要并聯(lián)陶瓷電容去耦合。高頻去耦電容建議使用鉭電容，電解電容有等效電感。
比如，PCB 原理圖與封裝管腳不對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致 PCB 板錯(cuò)誤，需要重新打樣。PCB 打 樣周期長(zhǎng)，不利于調(diào)試。所設(shè)計(jì) PCB 板工藝要求高，無(wú)法印刷制作。板面鋪銅后散熱 快，不易手工焊接。微型封裝的芯片手工焊接若使用焊錫膏則容易虛焊、漏焊，若使用 焊錫絲則容易粘連、短路。焊接完畢后首先要先測(cè)量電源供電是否正常，其中主控板第 一次焊接后一上電 AMS1117 芯片就發(fā)燙，用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)電源與地之間電阻過低（沒 完全短路），最后發(fā)現(xiàn)是芯片引腳之間有灰塵（混有焊錫）造成短路。芯片晶振不起振， 需要調(diào)節(jié)參數(shù)等等問題。焊接完成的主控板如圖 5.1 所示，巡檢板如圖 5.2 所示：
圖 5.2 巡檢板實(shí)物圖 主控板連接彩屏后，運(yùn)行界面如圖：開機(jī)后進(jìn)入歡迎界面，如圖 5.3 中所示。在歡
后返回歡迎界面，此時(shí)點(diǎn)按“BMS”進(jìn)入系統(tǒng)，展示相關(guān)信息，如圖 5.5 所示。所展示 信息包括所測(cè)電池單體溫度、電池單體電壓、電池組電流、及電池組剩余電量。
圖 5.5 信息展示界面 圖 5.6 閾值設(shè)定界面通過點(diǎn)擊“SET”按鈕可進(jìn)入報(bào)警閾值設(shè)定界面如圖 5.6 所示，可設(shè)定溫度上限、 電流上限、及剩余電量下限。
符合報(bào)警條件時(shí)，蜂鳴器鳴叫報(bào)警，同時(shí)顯示提示信息。當(dāng)溫度超過范圍時(shí)，提示 信息如圖 5.7 所示，當(dāng)電流過大時(shí)提示信息如圖 5.8 所示，當(dāng)剩余電量過低時(shí)，提示信 息如圖 5.9 所示。
標(biāo)信息。在此期間若數(shù)據(jù)一直超過設(shè)定指標(biāo)，該項(xiàng)數(shù)據(jù)將以紅色字體特別標(biāo)注，5 秒后 重復(fù)顯示提示信息。
本章主要介紹了印制電路板的繪制過程中，PCB 抗干擾的相關(guān)原理。及實(shí)物制作中 出現(xiàn)的問題。并演示了系統(tǒng)的操作流程。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文檔所設(shè)計(jì)的鋰離子電池管理系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，可測(cè)量電 池組電流，電池單體電壓、溫度，可計(jì)算荷電狀態(tài)估算值，可實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信，可 檢測(cè)故障并報(bào)警，用戶可設(shè)定故障報(bào)警閾值。同時(shí)也存在一些問題，比如尚未實(shí)現(xiàn)漢化， 界面語(yǔ)言不友好。功能上仍有很大提升空間。
作為一種新能源汽車，電動(dòng)汽車越來越受到世界各國(guó)的關(guān)注，對(duì)電動(dòng)汽車的研究也 越來越多、越來越深，研究過程中可以看到，電池是電動(dòng)汽車中最容易出現(xiàn)問題的部件， 電池的壽命往往是限制電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。有兩類途徑改善電池的容量和壽命：改 進(jìn)電池制造技術(shù)、改善電池管理系統(tǒng)。本文對(duì)電池管理系統(tǒng)做了如下研究：
通過大量查閱文獻(xiàn)資料，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究的進(jìn)展情況。分析電池的工作原理， 充放電特性，研究了電池特性對(duì)荷電狀態(tài)估算的影響因素。介紹了現(xiàn)有研究對(duì)荷電狀態(tài) 常見的幾種估算方法，本文提出了一種結(jié)合開路電壓法和安時(shí)積分法并帶參數(shù)修正的估 算算法。以開路電壓作主要依據(jù)，以安時(shí)積分作細(xì)節(jié)估算。通過長(zhǎng)時(shí)間靜置消除極化電 壓對(duì)開路電壓測(cè)量的影響，通過軟件濾波提高電流測(cè)量的準(zhǔn)確度。最后利用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
本文還設(shè)計(jì)了電池管理系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)由主控板和巡檢板組成的雙板電路構(gòu) 成。電池基本參數(shù)的測(cè)量是荷電狀態(tài)估算的前提，文檔通過分析電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組多 電池串聯(lián)的相關(guān)問題，介紹了常見的幾種檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了獨(dú)立“地”循環(huán)選通電壓 測(cè)量電路以及采樣電阻電流測(cè)量電路。本設(shè)計(jì)使用單總線集成溫度傳感器測(cè)量溫度。同 時(shí)還設(shè)計(jì)了主控電路、CAN 總線電路。
根據(jù)所設(shè)計(jì)硬件電路，編寫了 ARM 芯片的軟件程序。本設(shè)計(jì)結(jié)合模塊化、分層編 程思想，對(duì)各外設(shè)分類，分別從硬件驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)處理層和功能應(yīng)用層，層層往上按模 塊封裝程序函數(shù)。主控板主要實(shí)現(xiàn)用戶交互和 CAN 通信功能，巡檢板主要實(shí)現(xiàn)基本數(shù) 據(jù)的檢測(cè)和 CAN 通信功能。
結(jié)合硬件設(shè)計(jì)繪制了 PCB 板，完成電路板制作，并生成了目標(biāo)代碼，燒寫至板上。 研究過程中，深感電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度和所涉及領(lǐng)域的廣泛性。要對(duì)電池原理、工藝 要深度了解，要對(duì)電池做大量的測(cè)試，比如溫度對(duì)充放電特性的影響。本文時(shí)間精力有 限，缺乏實(shí)驗(yàn)器材，無(wú)法得到必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，程序中多參考經(jīng)驗(yàn)值或其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)效果有待提高。同時(shí)功能也需要完善，需要大量時(shí)間和資源進(jìn)行研究。比如對(duì) SOC 算法的研究，還能結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，或者通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立電池模型，結(jié)合卡爾 曼濾波分析估算。同時(shí) BMS 的功能也有很大擴(kuò)充空間。
電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)與設(shè)計(jì).pdf
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