李治國 羅洋坤

摘 ?要： 鋰離子電池是目前綠色環(huán)保電池之一，已廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如交通動力電源，新能源儲能動力電源，電力儲能電源等。文中提出了對鋰離子電池的充電和檢測需要進行深入的研究，使用STM32作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實現(xiàn)電池的檢測和細分控制。文中對基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)進行了方案設(shè)計，通過實驗對方案進行了驗證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，響應(yīng)速度滿足設(shè)計要求，可靠性好，充電精度得到了提高。

關(guān)鍵詞： 鋰離子電池;STM32; PWM技術(shù)

中圖分類號： TP273.5 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.028

本文著錄格式：李治國，羅洋坤. 基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)研究[J]. 軟件，2019，40（6）：127129

【Abstract】： As one of the environment-friendly batteries， the Lithium-ion battery has been widely applied in many fields， including power supply for transport， new energy storage， electricity power storage， etc. In this paper， a further study on the charging system and testing of lithium-ion batteries is conducted using STM32 as the fundamental core control and PMW techniques to realize the testing and microstep control of the batteries. A project design of the lithium-ion battery charging system based on STM32 is proposed in this paper and verified by experiments. The re-sults show that the proposed project design is easy to operate with fast response speed and high reliability， which improves the charging precision.

【Key words】： Lithium-ion batteries; STM32; PWM techniques

0 ?引言

近年來，隨著鋰離子電池作為動力電池和輔助動力電池廣泛使用在電動汽車、電動旅游觀光車、電動公交大巴上等領(lǐng)域，因此鋰離子電池在新能源汽車動力方向發(fā)揮著重要的作用。由于鋰離子電池具有無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域和性價比高[1]，作為新能汽車動力電池和輔助動力電池，因此對于鋰離子電池的要求更高，需要達到電能的轉(zhuǎn)換率高速穩(wěn)定的要求，這是非常具有挑戰(zhàn)性，而且需要不斷深入研究[2-3]。文中提出了使用Cortex-M3微處理器[4]作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實現(xiàn)電池的檢測和細分控制，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)充電模式的改善，引入反饋機制來實現(xiàn)有效控制，并且使用STM32可以實現(xiàn)有效的擴展，方便接入其它模塊和元器件[5]。其中，運用STM32F407控制器實現(xiàn)對鋰離子電池充放電參數(shù)的內(nèi)部設(shè)定，由于對外不可見，因此具有良好的保密性和穩(wěn)定性，其控制參數(shù)不容易被篡改，但是可以進行編程進行修改，因此方便了維護人員進行參數(shù)問題診斷和控制升級。同時STM32F407控制器設(shè)計了外圍的保護電路，進一步保護了STM32F407控制器和鋰離子電池設(shè)備，能夠?qū)^壓過流等常見電路異常情況進行有效的保護。文中對基于STM32的鋰離子電池充電系統(tǒng)進行了方案設(shè)計，通過實驗對方案進行了驗證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，并且響應(yīng)度滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，可靠性好，充電精度得到了提高。

1 ?電池參數(shù)和方案設(shè)計

電池的性能參數(shù)主要包括電流、溫度、電壓三個關(guān)鍵參數(shù)[6]，通過這三種參數(shù)的綜合評估來選取最佳的鋰離子電池組合，而且在選取時一定要確保型號和性能一致，這樣有利于可靠性和穩(wěn)定性，因為安全性也是重要的指標之一。另外還有容量，但是由于容量不能直接測量只能通過標注參考其出廠容量值，只能通過放電時間和電流值的乘積進行理論計算[7-10]，在后續(xù)的評定中不能發(fā)揮重要作用，因此可以忽略該參數(shù)。

方案采用ST公司的STM32F407為控制核心單元，控制鋰離子電池的充放電。通過反饋模式可以增強鋰離子電池充放電的可靠性，并提高其精度，并且管理更加方便。STM32F407控制器通過運行控制程序來實現(xiàn)具體的信號采集功能和充放電控制。

2 ?充放電系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ?充放電控制模塊

動力或輔助動力鋰離子電池的行為主要包括閑置、充電、放電三種狀態(tài)，并且在三種狀態(tài)之間會不斷切換。其中放電模式下主要呈現(xiàn)恒流的特點，充電模式下呈現(xiàn)先穩(wěn)定電流在穩(wěn)定電壓的特點[11]。系統(tǒng)硬件通過電路模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為48V的直流電，然后根據(jù)單個電池組的要求需求將48V的直流電進行降壓，從而滿足單個電池組的充放電的電壓、電流要求。STM32F407控制器通過運行程序?qū)崿F(xiàn)充電、放電、閑置狀態(tài)之間的切換和運行。

系統(tǒng)通過STM32F407控制器來控制大功率耗能電阻實現(xiàn)恒流放電過程，在整個負載充放電的過程中完成了數(shù)據(jù)的采集過程，主要包括實時采集電壓和電流等信號，并進行反饋通過PID算法實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓電流控制，從而保證充放電過程的穩(wěn)定[12]。圖1為STM32F407控制器充放電控制圖。

其中充電電路由AC/DC電壓變換電路和驅(qū)動電路組成，并由TL494 PWM控制器配合STM32F407進行控制[13]。

2.2 ?STM32鋰離子電池信號采集模塊

信號采集模塊主要實現(xiàn)通過STM32F407進行控制采集鋰離子電池的內(nèi)部電壓、電流和溫度等情況，并將檢測值保存到STM32F407的擴展內(nèi)存中，方便以后進行讀取和研究[14]。圖2是信號采集模塊的流程，其過程非常簡單，通過采集鋰離子電池的信號，將信號經(jīng)過調(diào)節(jié)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到控制中心STM32F407。

由于單組鋰離子電池的充放電電流與車輛行駛有很大的關(guān)系，因此環(huán)境噪聲對其干擾非常大。因此需要在鋰離子電池負極串聯(lián)采樣電阻，從而實現(xiàn)對電流信號的實時采集，并進行放大和調(diào)節(jié)。而鋰離子電池的兩端電壓可以作為采樣電壓。

嵌入式處理器作為鋰離子電池充電系統(tǒng)的核心，具體實驗的型號選取非常重要，而嵌入式處理器目前的型號也是非常多，目前市場上主要使用的很包括16位和32位。而STM32F407性價比非常高，性能穩(wěn)定可靠，是屬于32位系列，能夠滿足鋰離子電池充電系統(tǒng)的功能需求。基于STM32F407芯片設(shè)計鋰離子電池充電系統(tǒng)的核心控制電路。

基于STM32F407控制芯片設(shè)計的鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器，可以充分利用該芯片在頻率和功耗模式的優(yōu)勢。STM32F407有穩(wěn)定卓越的時鐘模式，在其啟動時可以自由的選擇系統(tǒng)時鐘，在進行復位操作時，其內(nèi)置的8MHz晶振可以作為CPU的內(nèi)部時鐘，也可以使用多個預(yù)比較器配置AHB的頻率，其中包括APB2和APB1的配置，高速APB2可以設(shè)置為72MHz，低速APB1可以設(shè)置為36MHz，該模式完全滿足靜態(tài)動力或輔助動力鋰離子電池充電系統(tǒng)的要求，其時鐘頻率較高，保證了整個鋰離子電池充電系統(tǒng)的運行速度。STM32F407有3種可以使用的低功耗模式，例如在休眠模式下只有STM32F407的CPU停止了工作，但是可以通過中斷/事件輕松將其喚醒;在停止模式下可以實現(xiàn)以最小功耗持續(xù)保存SRAM和寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)，可以通過外部中斷線從停止模式將其輕松的喚醒;在待機模式下SRAM和寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)會被持續(xù)清理，當外部復位時可以退出待機模式。這三種模式可使鋰離子電池充電系統(tǒng)在低功耗、啟動時間、喚醒源之間達到性能最優(yōu)。

3 ?系統(tǒng)測試

對本文所設(shè)計的鋰離子電池系統(tǒng)進行實驗驗證。實驗所測試的鋰離子電池標準容量為800 mA.h，檢測標準定為標準容量的85%，經(jīng)過多次實驗，測試結(jié)果平均值達到660 mA.h，因此通過實驗分析達到了設(shè)計要求。通過實驗測量，可以得到實際電阻電流為最大3.2 A，最大電壓差是0.05 V，最小電流為0.04 A，最小電壓差為0.002 V。在實驗過程中采集了8組鋰離子電池的電壓和電流信號，總共得到了16路數(shù)據(jù)信號。因此，選取AD5590轉(zhuǎn)換芯片，該A/D模塊具有16個模擬輸入接口滿足實驗需求。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊可以將采樣得到的充放電的電壓和電流輸出。STM32F407控制器通過SPI接口實現(xiàn)與AD5590轉(zhuǎn)換芯片的通信和控制。

由實驗可知，本文設(shè)計的基于STM32的動力鋰離子電池充電系統(tǒng)性能良好，達到了實驗預(yù)期效果。此外，實驗也對于軟件進行了測試。對于軟件可以通過KEIL4進行調(diào)試。通過調(diào)試測試程序可以驗證程序功能的完整性和魯棒性，從而可以排除實驗過程中遇到的硬件錯誤。在調(diào)試過程中通過該軟件不僅可以觀察到鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器的各個寄存器的數(shù)據(jù)，還可定義變量的實時值。通過設(shè)定斷點來觀察鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器執(zhí)行到某一行程序的現(xiàn)象，也可以配合串口調(diào)試助手進行鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件控制器的程序調(diào)試。

4 ?結(jié)束語

文中提出了使用STM32作為基礎(chǔ)的核心控制，利用PWM技術(shù)來實現(xiàn)電池的檢測和細分控制，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)充電模式的改善，引入反饋機制來實現(xiàn)有效控制，并且使用STM32可以實現(xiàn)有效的擴展，方便接入其它模塊和元器件。文中對基于STM32的動力鋰離子電池充電系統(tǒng)進行了方案設(shè)計，通過實驗對方案進行了驗證，結(jié)果顯示該方案具有操作簡單的優(yōu)勢，并且響應(yīng)速度滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，可靠性好，有效提高充電精度。

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