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(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)此進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，但是對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)上精度還有待提高。

基于此，本文采用STM32硬件平臺(tái)，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(duì)鋰電池充放電路徑管理、對(duì)充放電的參數(shù)及電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，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(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在+5 V，小于100 Ω后，輸出電壓會(huì)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(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分的比較，在選擇處理器時(shí)，主要考慮是選擇51系列的單片機(jī)和STM32，經(jīng)過對(duì)比，51系統(tǒng)單片機(jī)雖然價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單，但是其性能較差，不能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而STM32性價(jià)比高，控制穩(wěn)定性好，而且對(duì)于后續(xù)系統(tǒng)的升級(jí)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(cuò)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(shí)，VD1=0，VD4=1，此時(shí)COUT=0，Q2截止，防止電池過充；放電電壓低于放電閥值電壓時(shí)， VD2=0，VD=0， DOUT=0， Q1截止；此外當(dāng)電流過大時(shí)，內(nèi)部短路電路檢測(cè)模塊將會(huì)拉低至低電平， COUT=0，此時(shí)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(huì)自動(dòng)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(dòng)態(tài)管理和動(dòng)態(tài)電源路徑管理功能。功率動(dòng)態(tài)管理可限制充電電流的大小，可防止過電流充電對(duì)電池的影響，動(dòng)態(tài)電源路徑管理可對(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)電池剩余電量、電流、電壓等相關(guān)信息的監(jiān)測(cè)與查詢，此外，對(duì)充電狀態(tài)以及老化程度等也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)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(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，BQ27410芯片驅(qū)動(dòng)較簡(jiǎn)單，測(cè)量的參數(shù)滿足系統(tǒng)要求，性價(jià)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(huì)對(duì)DC-DC升壓模塊電路進(jìn)行專門的測(cè)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(dòng)簡(jiǎn)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(gè)運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的操作提供基礎(chǔ)。由于驅(qū)動(dòng)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(hào)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(cè)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(hào)傳送給控制系統(tǒng)，最后將測(cè)試的結(jié)果現(xiàn)在液晶屏上。

另外一個(gè)大的部分主要是上位機(jī)的測(cè)試軟件流程，上位機(jī)測(cè)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(gè)測(cè)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(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性，需要對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)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(cè)試

充放電管理模塊的測(cè)試在系統(tǒng)中屬于第一要?jiǎng)?wù)，對(duì)BQ24230充放電管理模塊的測(cè)試分兩種情況進(jìn)行，其一是有USB進(jìn)行供電時(shí)，此時(shí)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(shí)，此時(shí)充電指示燈、電源指示燈均熄滅，電池給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。其具體的測(cè)試圖如圖7所示。

圖7 充電電流的測(cè)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(shí)所測(cè)量的電壓值會(huì)略高于或者略低于電池的開路電壓。充電時(shí)電池的端電壓與剩余容量的關(guān)系圖如圖8所示。放電時(shí)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(shí)電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖

圖9 放電時(shí)電池電壓與剩余容量的關(guān)系圖

經(jīng)過測(cè)試，電池充電時(shí)電池電壓與剩余容量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，充電電池電壓在3 800 mV以上時(shí)，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(shí)，剩余電量會(huì)迅速下降到25%以下；從放電時(shí)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(shí)，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(shí)，剩余電量會(huì)迅速下降到30%左右。

在測(cè)試過程中，根據(jù)歐姆定律，可以簡(jiǎn)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(cè)出，電池內(nèi)阻也可以直接測(cè)得，基于開路電壓測(cè)量(OCV)曲線的電池剩余容量關(guān)系測(cè)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(shí)，剩余電量會(huì)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(huì)迅速下降，當(dāng)開路電壓到3 200 mV時(shí)，剩余容量接近于0。

4.2 DC-DC升壓模塊測(cè)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(duì)DC-DC升壓模塊進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過程分兩個(gè)部分進(jìn)行，其一是輸出電壓的穩(wěn)定性測(cè)試，其二是帶負(fù)載能力測(cè)試，根據(jù)要求，完成了兩個(gè)部分的測(cè)試，在測(cè)試輸出電壓的穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)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(cè)試，其測(cè)試的結(jié)果如表1和圖11所示。

表1 輸出電壓穩(wěn)定性測(cè)試

折線圖如圖12所示所示。

圖11 升壓模塊輸出電壓測(cè)試圖

從輸出電壓測(cè)試的穩(wěn)定性測(cè)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(cè)試主要對(duì)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(cè)試，測(cè)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(cè)試

圖12 升壓模塊負(fù)載能力測(cè)試圖

從帶負(fù)載能力測(cè)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(huì)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(shí)，對(duì)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(tái)，分析了系統(tǒng)的總體需求參數(shù)，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)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(cè)試、充電時(shí)電池的端電壓與剩余容量的測(cè)試、輸出電壓測(cè)試和負(fù)載能力測(cè)試和設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)等，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池充放電路徑管理、對(duì)充放電的參數(shù)及電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，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。