魏麗君,李小霞

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

信息時代的來臨使得便攜式手持電子設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，電子閱讀、網(wǎng)頁瀏覽、網(wǎng)上辦公、娛樂影音等極大豐富了人們的生活，與此同時，電子產(chǎn)品的電池續(xù)航能力得到了越來越多的關(guān)注，鋰離子電池作為便攜式手持電子設(shè)備可循環(huán)充放電的首選材料，在使用過程中依然可能存在過充、過放、過流充電以及充電溫度過高從而影響電池的使用效率，甚至還出現(xiàn)過充放電過程中電池爆炸的安全事故，因此，設(shè)計(jì)一款實(shí)時監(jiān)控電池充放電狀態(tài)參數(shù)的電池管理系統(tǒng)迫在眉睫。

當(dāng)前關(guān)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(xué)、上海交通大學(xué)、湖南大學(xué)很多學(xué)者都對此進(jìn)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(shè)計(jì)不夠全面，在實(shí)時監(jiān)測上精度還有待提高。

基于此，本文采用STM32硬件平臺，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款鋰電池充放電管理系統(tǒng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測，準(zhǔn)確度高達(dá)98.4%，DC-DC輸出電壓穩(wěn)定在5 V±0.002 V范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載在200 Ω到1 000 Ω范圍內(nèi)時，輸出電壓穩(wěn)定在+5 V，小于100 Ω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 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含電池保護(hù)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(shè)計(jì)中，提出了主要參考芯片：其中電量計(jì)芯片擬采用BQ27410芯片，充放電路徑管理模塊擬采用BQ24230芯片實(shí)現(xiàn)，而升壓模塊擬采用LMR62421芯片，控制核心，采用當(dāng)前主流的ARM系列STM32控制器，顯示模塊則采用LCD12864實(shí)現(xiàn)，具體的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。在設(shè)計(jì)過程中，需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(jī)和STM32，經(jīng)過對比，51系統(tǒng)單片機(jī)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(zhǔn)備作用。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 鋰離子電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

鋰離子電池的充放電必須設(shè)計(jì)良好的充放電保護(hù)電路，確保電路在應(yīng)用過程中具有很好的容錯能力，很多情況下，如果沒有保護(hù)電路，就很有可能在充放電過程中造成電池的損壞，因此，設(shè)計(jì)電池保護(hù)電路必不可少，本設(shè)計(jì)采用RT9545芯片實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖2所示。

圖2 RT9545保護(hù)電路

其工作原理分析如下：首先設(shè)置好充電電壓閥值和放電電壓閥值，Q1和Q2相當(dāng)保護(hù)開關(guān)。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(dāng)電流過大時，內(nèi)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(hù)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 鋰電池充放電路徑管理電路設(shè)計(jì)

電池充放電路徑管理采用BQ24230芯片實(shí)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(jìn)行可編程實(shí)現(xiàn)，具有過壓保護(hù)功能，而且可以根據(jù)編程輸入的電壓電流值，預(yù)設(shè)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(shí)現(xiàn)高溫保護(hù)，并且在溫度升高后，可自動調(diào)整降低充電電流。

該電路的原理圖如圖3所示。

圖3 鋰電池充放電路徑管理

2.3 鋰離子電池狀態(tài)信息采集模塊

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(shí)用老化狀態(tài)等等，在此設(shè)計(jì)中，信息采集采用BQ27410芯片實(shí)現(xiàn)，具體的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

該芯片內(nèi)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(jìn)行信息通訊，方便可靠?？蓪?shí)現(xiàn)對電池剩余電量、電流、電壓等相關(guān)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

圖4 鋰電池狀態(tài)信息采集

此模塊是硬件設(shè)計(jì)的核心部分，電池剩余電量、電流、電壓等相關(guān)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(biāo)，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)對方案設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，BQ27410芯片驅(qū)動較簡單，測量的參數(shù)滿足系統(tǒng)要求，性價比高。

2.4 DC-DC升壓模塊電路設(shè)計(jì)

DC-DC升壓模塊電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是將2.7 V的電壓升到5.5 V，而且要保持穩(wěn)定，后面會對DC-DC升壓模塊電路進(jìn)行專門的測試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源模塊采用LMR62421芯片實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成DC-DC電路結(jié)構(gòu)。其具體的原理圖如圖5所示。

圖5 LMR62421升壓模塊電路

該電路的輸入電壓可從2.7 V到5.5 V，輸出可達(dá)24 V，輸出電流可達(dá)2A，開關(guān)頻率高，其升壓電路的工作原理就是通過恒定的開關(guān)頻率和調(diào)節(jié)占空比來控制內(nèi)部NMOS的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)。可按照芯片的典型電路，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要調(diào)節(jié)電容的值，從而得到電路需要的輸出電壓。

2.5 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)Σ杉降男畔⑦M(jìn)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(jìn)行顯示，液晶顯示器驅(qū)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(jié)果可以直接反應(yīng)系統(tǒng)的整個運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的操作提供基礎(chǔ)。由于驅(qū)動電路很常見，在此不再單獨(dú)闡述液晶顯示模塊的電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件模塊設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)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(jī)的I2C總線進(jìn)行傳遞。其主函數(shù)流程開始后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后監(jiān)測電池是否接入，接入后一直采集電池的信息狀態(tài)，包括充電狀態(tài)、剩余電量、電池電流、電池電壓和老化程度等信息，然后通過IIC協(xié)議進(jìn)行通訊將信號傳送給控制系統(tǒng)，最后將測試的結(jié)果現(xiàn)在液晶屏上。

另外一個大的部分主要是上位機(jī)的測試軟件流程，上位機(jī)測試軟件流程主要為了滿足客戶的相關(guān)需求，要求進(jìn)行數(shù)據(jù)可查詢，因此在設(shè)計(jì)工作中，需要根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)行記錄。

系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性，需要對設(shè)計(jì)的各個部分進(jìn)行單元調(diào)試，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，直至滿足設(shè)計(jì)需求。

4.1 充放電管理模塊測試

充放電管理模塊的測試在系統(tǒng)中屬于第一要務(wù)，對BQ24230充放電管理模塊的測試分兩種情況進(jìn)行，其一是有USB進(jìn)行供電時，此時電源指示燈點(diǎn)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(jìn)行供電。其具體的測試圖如圖7所示。

圖7 充電電流的測試圖

其中I(PRECHG)=70mA，恒流充電電壓為3.2 V，IO(CHG)=364mA，達(dá)到4.07 V后電流下降。

電池本身存在內(nèi)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(guān)系圖如圖8所示。放電時電池的端電壓與剩余容量的關(guān)系圖如圖9所示。

圖8 充電時電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖

圖9 放電時電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖

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3 800 mV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3 600 mV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(guān)系圖同樣可以分析出，當(dāng)放電電池電壓在3 800 mV以上時，剩余電量維持在70%以上，而當(dāng)放電電池電壓下降到3 600 mV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(jì)算得到電池的阻抗和開路電壓，因?yàn)殡姵氐亩穗妷嚎梢詼y出，電池內(nèi)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(guān)系測試關(guān)系曲線圖如圖10所示。

圖10 電池的OCV曲線

從電池的OCV曲線圖可以看出，開路電壓同樣在3 800 mV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3 600 mV以下，剩余容量會迅速下降，當(dāng)開路電壓到3 200 mV時，剩余容量接近于0。

4.2 DC-DC升壓模塊測試

在設(shè)計(jì)部分，DC-DC的設(shè)計(jì)參數(shù)要求是從2.7 V電壓升壓至5.5 V，根據(jù)系統(tǒng)的要求，對DC-DC升壓模塊進(jìn)行測試，整個測試過程分兩個部分進(jìn)行，其一是輸出電壓的穩(wěn)定性測試，其二是帶負(fù)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3.5 V、3.7 V、3.8 V、3.9 V、4.2 V的情況均進(jìn)行了測試，其測試的結(jié)果如表1和圖11所示。

表1 輸出電壓穩(wěn)定性測試

折線圖如圖12所示所示。

圖11 升壓模塊輸出電壓測試圖

從輸出電壓測試的穩(wěn)定性測試結(jié)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5 V±0.002 V范圍內(nèi)。

帶負(fù)載能力測試主要對系統(tǒng)負(fù)載為1 000 Ω、500 Ω、200 Ω、100 Ω、80 Ω、60 Ω等幾種常見的應(yīng)用負(fù)載進(jìn)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。

表2 負(fù)載能力測試

圖12 升壓模塊負(fù)載能力測試圖

從帶負(fù)載能力測試結(jié)果可以得出，該電池所帶負(fù)載大于200 Ω到1 000 Ω，輸出電壓非穩(wěn)定在+5 V，小于100 Ω后，輸出電壓會有適度下降，到達(dá)60 Ω后，輸出電壓為4.23 V，其后則迅速下降。由此可以在應(yīng)用時，對電池所帶的負(fù)載做出合理的參數(shù)說明，以使得電池應(yīng)用達(dá)到最理想的結(jié)果。

5 結(jié)束語

本論文從當(dāng)前鋰離子電池充放電管理系統(tǒng)存在的相關(guān)問題出發(fā)，總結(jié)了設(shè)計(jì)上存在的問題，在此基礎(chǔ)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(jìn)行參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，對各硬件模塊進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，此外結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，完成了一款鋰電池充放電管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了充電電流測試、充電時電池的端電壓與剩余容量的測試、輸出電壓測試和負(fù)載能力測試和設(shè)備的長期穩(wěn)定性試驗(yàn)等，經(jīng)過試驗(yàn)測試，該系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測，輸出電壓穩(wěn)定，極大提高了電池的使用效率。帶負(fù)載的能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)成果已經(jīng)應(yīng)用在企業(yè)項(xiàng)目中。