基于sm32的鋰電池充放電管理系統(tǒng)設計

基于sm32的鋰電池充放電管理系統(tǒng)設計

0鋰離子電池充放電管理系統(tǒng)現(xiàn)狀隨著信息信息的到來，便攜式終端電子郵件已被廣泛使用。電子閱讀、網(wǎng)絡閱讀、在線工作、娛樂視頻等娛樂活動非常豐富。與此同時，電子電池的長期使用壽命變得越來越重要。作為一種便攜式終端易取電阻的電池，陰離子電池也是電池使用中的首選材料。在使用過程中，電池的使用效率可能存在于充電壓力過高的問題。電池充電壓縮性的安全事故。因此，電池管理系統(tǒng)的設計能夠實時監(jiān)控電池的電池充電數(shù)據(jù)。當前關于鋰離子電池充放電管理系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在電池荷電狀態(tài)估算以及算法的研究上面，華中科技大學、上海交通大學、湖南大學很多學者都對此進行了比較系統(tǒng)的研究，但是對鋰離子電池充放電路徑管理方面設計不夠全面，在實時監(jiān)測上精度還有待提高?；诖?，本文采用STM32硬件平臺，開發(fā)設計了一款鋰電池充放電管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋰電池充放電路徑管理、對充放電的參數(shù)及電池的狀態(tài)實現(xiàn)了實時準確監(jiān)測，準確度高達98.4%,DC-DC輸出電壓穩(wěn)定在5V±0.002V范圍內，當負載在200Ω到1000Ω范圍內時，輸出電壓穩(wěn)定在+5V，小于100Ω后，輸出電壓會有適度下降，輸出電壓穩(wěn)定，極大提高了電池的使用效率。1具體模塊設計根據(jù)設計需求，該系統(tǒng)的硬件設計主要包含電池保護電路、電源模塊以及顯示模塊、電池充放電路徑管理模塊、電池狀態(tài)信息采集模塊等。初步設計中，提出了主要參考芯片：其中電量計芯片擬采用BQ27410芯片，充放電路徑管理模塊擬采用BQ24230芯片實現(xiàn)，而升壓模塊擬采用LMR62421芯片，控制核心，采用當前主流的ARM系列STM32控制器，顯示模塊則采用LCD12864實現(xiàn)，具體的設計框圖如圖1所示。在設計過程中，需要對設計方案進行充分的比較，在選擇處理器時，主要考慮是選擇51系列的單片機和STM32，經(jīng)過對比，51系統(tǒng)單片機雖然價格便宜、操作簡單，但是其性能較差，不能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而STM32性價比高，控制穩(wěn)定性好，而且對于后續(xù)系統(tǒng)的升級可以起到很好的準備作用。2硬件電路設計2.1電池保護電路鋰離子電池的充放電必須設計良好的充放電保護電路，確保電路在應用過程中具有很好的容錯能力，很多情況下，如果沒有保護電路，就很有可能在充放電過程中造成電池的損壞，因此，設計電池保護電路必不可少，本設計采用RT9545芯片實現(xiàn)，電路原理圖如圖2所示。其工作原理分析如下：首先設置好充電電壓閥值和放電電壓閥值，Q1和Q2相當保護開關。充電電壓高于閥值電壓時，VD1=0,VD4=1，此時COUT=0,Q2截止，防止電池過充；放電電壓低于放電閥值電壓時，VD2=0,VD=0,DOUT=0,Q1截止；此外當電流過大時，內部短路電路檢測模塊將會拉低至低電平，COUT=0，此時Q2截止，起到過流保護作用。在鋰離子電池充放電過程中，只要出現(xiàn)電流過大的情況，Q2則會自動截止，電路停止工作。2.2動態(tài)電源路徑管理電池充放電路徑管理采用BQ24230芯片實現(xiàn)，該芯片具有功率動態(tài)管理和動態(tài)電源路徑管理功能。功率動態(tài)管理可限制充電電流的大小，可防止過電流充電對電池的影響，動態(tài)電源路徑管理可對輸入電流進行可編程實現(xiàn)，具有過壓保護功能，而且可以根據(jù)編程輸入的電壓電流值，預設充電完成時間等，此外，該芯片還具有熱敏電阻輸入，在充放電過程中可很好的實現(xiàn)高溫保護，并且在溫度升高后，可自動調整降低充電電流。該電路的原理圖如圖3所示。2.3充電系統(tǒng)電路設計鋰離子電池狀態(tài)信息采集主要采集對象包含電池剩余電量、電池充放電的電壓、電流以及電池的實用老化狀態(tài)等等，在此設計中，信息采集采用BQ27410芯片實現(xiàn)，具體的電路設計如圖4所示。該芯片內部集成LDO，方便電池直接給芯片供電，支持充電中斷方式的配置，與系統(tǒng)采用IIC協(xié)議進行信息通訊，方便可靠?？蓪崿F(xiàn)對電池剩余電量、電流、電壓等相關信息的監(jiān)測與查詢，此外，對充電狀態(tài)以及老化程度等也可以進行實時監(jiān)控。此模塊是硬件設計的核心部分，電池剩余電量、電流、電壓等相關信息的監(jiān)測與查詢和充電狀態(tài)及老化程度都是系統(tǒng)需要完成的核心指標，因此在設計中應對方案設計進行比較，BQ27410芯片驅動較簡單，測量的參數(shù)滿足系統(tǒng)要求，性價比高。2.4dc-dc升降電路DC-DC升壓模塊電路設計是系統(tǒng)設計的重要一環(huán)，其主要的設計參數(shù)主要是將2.7V的電壓升到5.5V，而且要保持穩(wěn)定，后面會對DC-DC升壓模塊電路進行專門的測試。系統(tǒng)設計電源模塊采用LMR62421芯片實現(xiàn)，構成DC-DC電路結構。其具體的原理圖如圖5所示。該電路的輸入電壓可從2.7V到5.5V，輸出可達24V，輸出電流可達2A，開關頻率高，其升壓電路的工作原理就是通過恒定的開關頻率和調節(jié)占空比來控制內部NMOS的關斷來實現(xiàn)?？砂凑招酒牡湫碗娐?，根據(jù)實際設計的需要調節(jié)電容的值，從而得到電路需要的輸出電壓。2.5顯示模塊的選擇為了能夠對采集到的信息進行可視化管理，系統(tǒng)比較了LCD液晶顯示模塊和數(shù)碼管顯示模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇采用12864LCD液晶顯示器進行顯示，液晶顯示器驅動簡單，主要顯示信息包含電池的剩余電量、充放電的電壓、電流信息，以及電池的老化狀態(tài)等等，液晶顯示的結果可以直接反應系統(tǒng)的整個運行狀態(tài)，為后續(xù)的操作提供基礎。由于驅動電路很常見，在此不再單獨闡述液晶顯示模塊的電路圖。3系統(tǒng)的設計建立根據(jù)硬件模塊設計，軟件設計也包括鋰電池狀態(tài)信息采集模塊、顯示與信號處理模塊，信息處理和傳遞通過STM32單片機的I另外一個大的部分主要是上位機的測試軟件流程，上位機測試軟件流程主要為了滿足客戶的相關需求，要求進行數(shù)據(jù)可查詢，因此在設計工作中，需要根據(jù)客戶的需求進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計和建立。一般情況下，可查詢數(shù)據(jù)分15天或者100個測試數(shù)據(jù)組進行記錄。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。4測試測試為了驗證系統(tǒng)設計的可行性和正確性，需要對設計的各個部分進行單元調試，并在此基礎上進行系統(tǒng)的聯(lián)調，直至滿足設計需求。4.1放電時電池電壓與剩余容量關系充放電管理模塊的測試在系統(tǒng)中屬于第一要務，對BQ24230充放電管理模塊的測試分兩種情況進行，其一是有USB進行供電時，此時電源指示燈點亮，充電指示燈閃爍，直至充滿，充滿后保持，剩余電流繼續(xù)給電池充電；另外一種情況是沒有USB供電時，此時充電指示燈、電源指示燈均熄滅，電池給整個系統(tǒng)進行供電。其具體的測試圖如圖7所示。其中I(PRECHG)=70mA，恒流充電電壓為3.2V,IO(CHG)=364mA，達到4.07V后電流下降。電池本身存在內阻，電池在充放電時所測量的電壓值會略高于或者略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系圖如圖8所示。放電時電池的端電壓與剩余容量的關系圖如圖9所示。經(jīng)過測試，電池充電時電池電壓與剩余容量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，充電電池電壓在3800mV以上時，剩余電量大于70%以上，而且下降過程緩慢，而充電電池電壓在3600mV以下時，剩余電量會迅速下降到25%以下；從放電時電池電壓與剩余容量的關系圖同樣可以分析出，當放電電池電壓在3800mV以上時，剩余電量維持在70%以上，而當放電電池電壓下降到3600mV以下時，剩余電量會迅速下降到30%左右。在測試過程中，根據(jù)歐姆定律，可以簡單得計算得到電池的阻抗和開路電壓，因為電池的端電壓可以測出，電池內阻也可以直接測得，基于開路電壓測量（OCV）曲線的電池剩余容量關系測試關系曲線圖如圖10所示。從電池的OCV曲線圖可以看出，開路電壓同樣在3800mV以上時，剩余電量會保持在70%甚至80%以上，一旦開路電壓下降到3600mV以下，剩余容量會迅速下降，當開路電壓到3200mV時，剩余容量接近于0。4.2電池負載測試分析在設計部分，DC-DC的設計參數(shù)要求是從2.7V電壓升壓至5.5V，根據(jù)系統(tǒng)的要求，對DC-DC升壓模塊進行測試，整個測試過程分兩個部分進行，其一是輸出電壓的穩(wěn)定性測試，其二是帶負載能力測試，根據(jù)要求，完成了兩個部分的測試，在測試輸出電壓的穩(wěn)定性時，對輸入電壓為3.5V、3.7V、3.8V、3.9V、4.2V的情況均進行了測試，其測試的結果如表1和圖11所示。折線圖如圖12所示所示。從輸出電壓測試的穩(wěn)定性測試結果可以得出，DC-DC升壓模塊穩(wěn)定度高，輸出電壓基本維持在5V±0.002V范圍內。帶負載能力測試主要對系統(tǒng)負載為1000Ω、500Ω、200Ω、100Ω、80Ω、60Ω等幾種常見的應用負載進行測試，測試后的輸出電壓記錄在表2中，其折線圖如圖12所示。從帶負載能力測試結果可以得出，該電池所帶負載大于200Ω到1000Ω，輸出電壓非穩(wěn)定在+5V，小于100Ω后，輸出電壓會有適度下降，到達60Ω后，輸出電壓為4.23V，其后則迅速下降。由此可以在應用時，對電池所帶的負載做出合理的參數(shù)說明，以使得電池應用達到最理想的結果。5鋰電池充放電系統(tǒng)設計本論文從當前鋰離子電池充放電管理系統(tǒng)存在的相關問題出發(fā)，總結了設計上存在的問題，在此基礎上，基于STM32嵌入式開發(fā)平臺，分析了系統(tǒng)的總體需求參數(shù)，在對系統(tǒng)進行參數(shù)分析的基礎上，對各硬件