基于STM32的鋰電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計資料

1、基于STM32的鋰電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計硬件部分專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)號：111100630 姓名：許金科指導(dǎo)老師：曾益彬摘 要鋰電池的使用越來越廣泛，為了能夠充分發(fā)揮鋰電池的性能，提高電池使用效率并延長電池壽命，需要設(shè)計一個鋰電池充放電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以STM32為控制核心，通過使用RT9545來實現(xiàn)對電池保護(hù)。通過使用電源管理芯片BQ24230實現(xiàn)對鋰電池充放電路徑管理，通過使用電池電量檢測芯片BQ27410來實現(xiàn)對電池剩余電池容量SOC、充電狀態(tài)、電池電壓、電池充放電電流、電池溫度等參數(shù)的檢測。通過使用DC-DC升壓芯片LMR62421能夠輸出穩(wěn)定的電壓，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電，最后通過

2、STM32實現(xiàn)對電池狀態(tài)信息的讀取與顯示。關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)，SOC，充電方式Lithium Battery Charging and Discharging SystemDesign Based on STM32HardwareAbstractMore widespread use of lithium batteries, in order to give full play to the performance of lithium batteries, to improve battery efficiency and extend battery life, it need to

3、design a lithium battery charge and discharge management system, which is based STM32 control core, through the use of RT9545 to realization of battery protection. By using the power management chip BQ24230 lithium battery charge and discharge path to achieve the management, through the use of batte

4、ry detection chip BQ27410 to achieve the battery remaining battery capacity SOC, detection current, temperature and other parameters of the battery state of charge, battery voltage, battery charge and discharge. By using the DC-DC boost chip output stable voltage LMR62421 able to achieve power to th

5、e entire system, and finally through STM32 achieve read and display the battery status information.Key words：Battery Management System，SOC，Charge Mode1引言近年來，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用以及便攜式設(shè)備的快速發(fā)展，使得可循環(huán)充放電的電池得到了廣泛的應(yīng)用1，鋰離子電池憑借著使用壽命長等優(yōu)勢在眾多電池材料中脫穎而出2，但由于鋰電池本身有著較為復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)，過放、過沖、過流、高溫都會影響電池的壽命損害電池性能甚至出現(xiàn)安全事故，由此可見，設(shè)計一個高效

6、安全的鋰電池充放電管理系統(tǒng)來提高電池的使用率，實現(xiàn)對整個電池系統(tǒng)保護(hù)以及對電池狀態(tài)信息3的監(jiān)測是非常有必要的。2 系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)節(jié)鋰離子電池的充放電管理，并通過STM32處理器實現(xiàn)對電池狀態(tài)信息的處理與顯示，具體實現(xiàn)的功能如下：（1）通過對鋰電池特性的分析，確定電池不同充電階段的充電電流。（2）通過外部NTC熱敏電阻不同的取值實現(xiàn)對充電電池的高溫保護(hù)。（3）實現(xiàn)電池動態(tài)電源路徑管理，能夠自適應(yīng)DPPM與VIN-DPM模式。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)電池過充過放保護(hù)，避免鋰電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。（5）能夠通過STM32實現(xiàn)對電池狀態(tài)信息的采集、處理與顯示。（6）

7、設(shè)計DC-DC升壓電路提供穩(wěn)定的電源輸出，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案本系統(tǒng)的整體設(shè)計方案主要包括了以下幾個部分：電池保護(hù)電路模塊、電池充放電路徑模塊、電池信息采集模塊、電源模塊、總體控制模塊、顯示模塊。系統(tǒng)的總體框圖如下圖1所示：圖1 系統(tǒng)總體框圖3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計本系統(tǒng)核心元器件的使用圖如圖2所示：圖2 系統(tǒng)核心元器件的使用圖3.1 主控制模塊STM32F103C8T6設(shè)計 本次主控制模塊采用的核心處理器芯片型號是STM32F103RBT6，該芯片具有豐富的內(nèi)部資源，內(nèi)部自帶具有FLASH、SRAM、以及多個串口、支持USB和CAN接口、內(nèi)部自帶2個12位的ADC、具

8、有RTC功能、51個可用的IO管腳、支持多種程序下載方式4。3.2 鋰離子電池保護(hù)電路設(shè)計本次系統(tǒng)使用的電池保護(hù)電路是以RT9545芯片以及相對應(yīng)的外圍硬件電路，該芯片外圍硬件電路如下圖3所示：圖3 RT9545保護(hù)電路電路中的兩個MOS管Q1 和Q2 是用于電池充電和放電的開關(guān)，同時也是作為過流檢測元件，當(dāng)芯片在開關(guān)兩端檢測到大的壓降時，就會使得MOSFET截止，進(jìn)而關(guān)閉流過電池的電流，從而達(dá)到電池保護(hù)效果，對于過壓和欠壓狀態(tài)的檢測是通過對VDD 和VSS 之間電壓的偵測來完成的5。當(dāng)充電電壓高于設(shè)定的充電閾值時比較器VD1將會變?yōu)榈碗娖剑琕D4輸出高電平，此時COUT管腳變?yōu)榈碗娖?，使Q2

9、的MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，防止電池出現(xiàn)過充；當(dāng)放電電壓低于預(yù)先設(shè)定的放電閾值時，此時比較器VD2將會變?yōu)榈碗娖剑琕D變?yōu)榈碗娖?，此時DOUT管腳將會變?yōu)榈碗娖剑瑥亩筈1的MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，最終起到過放保護(hù)作用；當(dāng)電流過大時，內(nèi)部短路電路檢測模塊將會變?yōu)榈碗娖?，從而使COUT引腳變?yōu)榈碗娖?，使得Q2的MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，起到過流保護(hù)作用。3.3 鋰電池充放電路徑管理電路設(shè)計本次電池充放電路徑管理使用的主芯片是BQ24230，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)可編程輸入電流，集成了動態(tài)電源路徑管理，具有過壓保護(hù)，可編程預(yù)充電和快速充電安全時間，具有NTC熱敏電阻輸入能實現(xiàn)電池的高溫保護(hù)，該芯片具有

10、狀態(tài)指示燈能夠指示充電狀態(tài)和充電完成狀態(tài)和電源良好指示燈。有輸入功率動態(tài)管理（VIN-DPM）和動態(tài)電源路徑管理（DPPM）兩種功能，VIN-DPM能夠限制輸入電流，防止充電器設(shè)計不當(dāng)或USB過大電流對電池造成損壞；DPPM模式下當(dāng)充電電流不能夠提供系統(tǒng)的負(fù)載即適配器不能提供峰值系統(tǒng)電流，允許電池以補(bǔ)充系統(tǒng)電流，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作7；該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對電池的三個充電階段：預(yù)充電、恒定電流和恒定電壓充電，并能夠根據(jù)電池內(nèi)部的溫度實現(xiàn)對電池的充電電流調(diào)整；該芯片集成充電器功率級和充電電流感應(yīng)功能具有高精度的電流和電壓調(diào)節(jié)環(huán)路8。該芯片的外圍硬件電路如下圖4所示：圖4 鋰電池充放電路徑管理3.4 鋰離子電

11、池狀態(tài)信息采集模塊本次鋰電池狀態(tài)信息采集是由主芯片BQ27410以及相對應(yīng)得外圍硬件電路實現(xiàn)的，具體的電路設(shè)計如下圖5所示： 圖5 鋰電池狀態(tài)信息采集該芯片適用于單節(jié)的鋰離子電池應(yīng)用，內(nèi)部采用的是Impedance Track技術(shù)來實現(xiàn)對電池剩余電量、充電狀態(tài)、電池電流、電池電壓、老化程度等信息查詢。該芯片內(nèi)部集成LDO可直接通過電池對芯片進(jìn)行供電，內(nèi)部集成處理器，支持電池溫度報告，可以配置電池的充電中斷方式，該芯片的通信方式是IIC協(xié)議，只需通過上拉電阻就可以實現(xiàn)與處理器之間的通信，從而可以讀取電池的狀態(tài)信息。3.5 DC-DC升壓模塊電路設(shè)計本次系統(tǒng)設(shè)計的DC-DC升壓電路是由主芯片LMR

12、62421以及相對應(yīng)的外圍硬件電路來實現(xiàn)的，該芯片的電壓輸入范圍為2.7V到5.5V，最高電壓輸出可以達(dá)到24V，最高的輸出電流可以達(dá)到2.1A，內(nèi)部具有很高的1.6MHZ的開關(guān)頻率。該芯片的外圍硬件電路如下圖6所示：圖6 LMR62421升壓模塊電路該升壓電路的工作原理是通過恒定的開關(guān)頻率和調(diào)節(jié)占空比來控制內(nèi)部NMOS的關(guān)斷，開關(guān)周期是從內(nèi)部振蕩器的下降沿開始，通過SR鎖存器輸出高電平使得NMOS管導(dǎo)通此時SW將通過電阻連接到地，當(dāng)PWM比較器輸出高電平時NMOS管將會斷開，開關(guān)斷開期間電感的電流通過二極管進(jìn)行放電，此時SW的開關(guān)電壓為輸出電壓加上二極管的正向電壓。輸入電容是用來保證SW開關(guān)

13、瞬間輸入電壓不會下降太多，正常的電容值是10UF，輸出電容主要是考慮到輸出紋波特性和瞬態(tài)響應(yīng)正常的電容值是4.7UF。3.6 顯示模塊電路設(shè)計該顯示屏的硬件原理圖如下圖7所示：圖7 LCD12864原理圖4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是對鋰電池狀態(tài)信息的采集、處理與顯示，鋰電池的狀態(tài)信息是STM32F103RBT6通過IIC協(xié)議來讀取BQ27410內(nèi)部寄存器的值。BQ27410的讀寫時序如下圖8所示：圖8 BQ27410讀寫時序讀取內(nèi)部寄存器的值，要先給BQ27410發(fā)送開始信號，然后發(fā)送地址，響應(yīng)后再發(fā)送指令，最后讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過停止信號后完成讀的整個過程。對BQ27410寫數(shù)據(jù)時，可以

14、對芯片進(jìn)行連續(xù)寫數(shù)據(jù)，經(jīng)過開始信號后，向芯片發(fā)送地址，再發(fā)送指令，響應(yīng)后發(fā)送要寫入的值，就完成了寫的過程。本次顯示屏用的是LCD12864，數(shù)據(jù)的傳輸方式是通過串行傳輸，先對顯示屏進(jìn)行初始化后，向顯示屏發(fā)送要顯示的地址，然后再發(fā)送要顯示的數(shù)據(jù)。LCD12864串口傳輸時序如下圖9所示：圖9 LCD12864串口傳輸時序系統(tǒng)軟件框圖如下圖10所示:程序開始初始化檢測電池是否插入結(jié)束是讀取電池的狀態(tài)信息結(jié)束處理與顯示溫度或壓力是否超標(biāo)圖10 軟件流程圖5 系統(tǒng)測試對于BQ24230充放電管理模塊的測試，當(dāng)插上USB線的時候，電源良好狀態(tài)指示燈能夠正常顯示，在充電過程中充電指示燈會正常亮起，當(dāng)充電完

15、成時充電指示燈會熄滅，此時系統(tǒng)的供電時有USB進(jìn)行供電，然后剩余電流再給電池充電，當(dāng)拔掉USB線時兩個指示燈都會熄滅，此時整個系統(tǒng)由電池完成供電，從而實現(xiàn)電池充放電動態(tài)路徑管理。對于電池充電過程電流電壓變化的測試如下圖6-3：圖6-3 充電電流的測試圖圖中I(PRECHG)的值70mA，進(jìn)入恒流充電的充電電壓是3.2V，IO(CHG)的大小為364mA，當(dāng)電壓達(dá)到4.07V時電流會不斷的下降。對于BQ27410電池狀態(tài)信息采集的測試，電池在充電和放電時，由于電池本身存在內(nèi)阻，充電時所測量的電壓值會高于電池的開路電壓，放電時所測量的電壓會低于電池的開路電壓。充電時電池的端電壓與剩余容量的關(guān)系圖如

16、下圖6-4所示：圖6-4 充電時電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖放電時電池的端電壓與剩余容量的關(guān)系圖如下圖6-5所示：圖6-5 放電時電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖由根據(jù)電池內(nèi)阻與電池端電壓以及電池開路電壓的關(guān)系，可以求出電池的阻抗和開路電壓，最后根據(jù)電池廠家的OCV曲線得到電池的剩余容量關(guān)系，其關(guān)系如下圖6-6所示：圖6-6 電池的OCV曲線對于LMR62421升壓模塊測試，主要分為輸出電壓測試和負(fù)載能力測試，本次升壓電路的電流輸出為700mA，當(dāng)負(fù)載不斷下降時，輸出電流不斷上升，當(dāng)輸出電流小于最大輸出電流時，系統(tǒng)的輸出電壓將會不斷下降升壓芯片發(fā)熱嚴(yán)重。輸出電壓測試結(jié)果如下表6-1：表6-1 輸出電壓

17、穩(wěn)定性測試輸入電壓（V）輸出電壓（V）3.54.9953.74.9953.85.0013.95.0014.25.005折線圖如圖6-7所示所示：圖6-7 升壓模塊輸出電壓測試圖升壓模塊的負(fù)載能力測試結(jié)果如下表6-2和折線圖如圖6-8所示：表6-2 負(fù)載能力測試系統(tǒng)負(fù)載（）輸出電壓（V）10005.015005.002005.001004.99804.99604.23圖6-8 升壓模塊負(fù)載能力測試圖6 結(jié)論本文所講述的是鋰電池充放電管理系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰電池的過放、過充、過流保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電池充放電路徑的動態(tài)管理，能夠通過STM32讀取BQ27410內(nèi)部電池的狀態(tài)信息，并在顯示屏LCD12864上顯示，顯示的參數(shù)有電池電壓、電池充放電電流、電池的剩余容量以及電池溫度，升壓電路的輸出電流可以達(dá)到700mA，紋波輸出小于10mV。本系統(tǒng)采用的電池剩余容量評估技術(shù)是阻抗跟蹤技術(shù)，能夠消除電池老化對電池剩余容量評估的影響，該系統(tǒng)只要對電量計芯片簡單配置后就可以適用于其他不同容量的單節(jié)鋰電池，不需要經(jīng)過長時間的學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)具有很大的實用性，對電池狀態(tài)信息的檢測具有很高的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)1 喬思潔.鋰電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計D.中國海洋大學(xué),2009. 2 許亮.電動自行車用鋰電池自然循環(huán)壽命試驗及模型研究D.北京理工大學(xué),2013.3 欒成強(qiáng),劉偉然.