張東平，艾學(xué)忠，鄭巍，蒙永龍，王明達(dá)

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林，132022）

0 引言

鋰電池以其高能量密度、高效率、長循環(huán)壽命和自放電率低而被廣泛應(yīng)用于電能存儲和電動汽車中。自2012 年以來，中國儲能項(xiàng)目總裝機(jī)容量正在穩(wěn)步增長，年增長率為54%（2012-2016 年)，預(yù)計(jì)短期內(nèi)將繼續(xù)快速增長[1]。2016 年至2017 年6 月底，中國新增電化學(xué)儲能裝機(jī)容量為1.35 吉瓦。預(yù)計(jì)到2025 年，全球電化學(xué)能源儲存量將達(dá)到500 兆瓦。市場規(guī)模超過一萬億元，鋰電池技術(shù)將占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著鋰電池應(yīng)用越來越廣泛，其生產(chǎn)規(guī)模也越來越大，對鋰電池性能檢測技術(shù)也提出來新的需求[2]。

為此，本設(shè)計(jì)以鋰離子電池的充放電參數(shù)檢測技術(shù)作為研究對象，設(shè)計(jì)鋰電池充電過程、放電過程的檢測裝置，根據(jù)充放電過程采集的參數(shù)分析鋰電池的電荷容量和工作效能。

1 鋰電池等效模型

■1.1 二階Thevenin 電池模型建立

等效電路模型簡單，可以準(zhǔn)確地描述電池的電氣特性?？紤]到電池充電時(shí)極化的影響，本文選取該模型以平衡模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和復(fù)雜性[3]。如圖1 所示，二階RC等效電路模型包括電池開路電壓(OpenCircuitVoltage，OCV)Uocv、內(nèi)阻R0以及兩個(gè)阻容環(huán)節(jié)。電阻和電容鏈路分別由極化內(nèi)阻

圖1 二階RC 等效電路模型

R1、R2與極化電容C1、C2組成，極化元件描述了電池充放電過程中不同時(shí)間點(diǎn)對電池充電和放電過程中的電化學(xué)極化。電壓UL和極化電壓UP1、UP2可分別由等式(1)、(2)分別進(jìn)行表示。

電路由開路電壓Uocv,歐姆內(nèi)阻R0和兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)組成，UP1、UP2分別為R1、R2的兩端電壓，UL表示電池的兩端電壓。

由電路的原理得出Thevenin 等效電路模型中各電壓關(guān)系：

RC環(huán)節(jié)為了描述電池的極化反應(yīng)，由電路關(guān)系可以得到RC環(huán)節(jié)的電壓電流關(guān)系為：

定義時(shí)間常數(shù)為 τ1=R1C1，τ2=R2C2，U1(0)，U2(0)為電容初值，解微分方程：

■1.2 電池SOC

SOC 是衡量鋰電池電化學(xué)能量儲存狀態(tài)的重要指標(biāo)，同時(shí)也是判斷鋰電池壽命和可靠性的重要參數(shù)之一。因此，準(zhǔn)確測量和掌握鋰電池的SOC，對于實(shí)現(xiàn)鋰電池的高效管理和應(yīng)用具有重要意義[4]。鋰電池的荷電狀態(tài)用SOC（State of Charge)表示，即在特定放電率條件下，電池剩余的容量與額定的容量的比值：

其中，S 表示電池的SOC，QC表示當(dāng)前電池電量，QI表示電池的額定容量。S 在0～1 范圍內(nèi)取值，當(dāng)S 為0 時(shí)，此時(shí)電池完全放電，當(dāng)S 為1 時(shí)，此時(shí)電池完全充電。

基于安時(shí)積分法的電池SOC 表示：

式中：z為SOC；I為充放電電流；Q為電池實(shí)際可用容量；t為時(shí)間變量；t0為時(shí)間變量初始值。

2 系統(tǒng)總體及硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STM32F373 作為主要控制芯片，通過按鍵設(shè)置來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位以及充電電流、放電電流和放電截至電壓的切換[8]。硬件系統(tǒng)是由單片機(jī)、鋰電池充電電路、充電電流檢測電路、充電電壓檢測電路等組成，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，MOS 管的發(fā)熱，由熱敏電阻采集，通過采集MOS 管上的溫度來判斷是否開啟風(fēng)扇。硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

■2.2 主控模塊

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控為STM32F373，該單片機(jī)是一款高性能ARM Cortex-M4 內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部具有128KB Flash和16KB SRAM，它還集成了多個(gè)模擬和數(shù)字外設(shè)，如ADC、DAC、定時(shí)器、USART 等[9]。48個(gè)GPIO 端口和14 個(gè)通信接口。可以滿足高性能嵌入式應(yīng)用的需求。電路的電流采樣、電壓采樣和按鍵分別連接到微處理器的四個(gè)GPIO 端口。BUCK 充電電路連接到具有PWM 功能輸出的微處理器的GPIO 端口。

■2.3 輔助電源電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，STM32 微控制器、檢測電路、運(yùn)算放大器等部分的供電主要由輔助電源提供。輔助電源主要分為12V 輔助電源電路和3.3V 輔助電源電路，如圖3 所示。12V 輔助電源電路采用了TD1583 降壓芯片對外部輸入電源進(jìn)行降壓，輸出12V 直流電源[10]。3.3V 輔助電源電路由AMS117-3.3 進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。兩部分為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備供電，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖3 電源輸入電路

■2.4 鋰電池充電電路設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的BUCK 充電電路采用了IR2104 芯片設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路來安全驅(qū)動Q6 和Q7 MOS 晶體管[11]。由于STM32 的PWM 輸出不能直接驅(qū)動MOS 晶體管，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯蟛拍苓_(dá)到預(yù)期效果。IR2104 芯片將STM32 的PWM 信號轉(zhuǎn)換成高低電平信號，并通過外界濾波和放大處理，輸出足夠強(qiáng)的驅(qū)動信號，控制MOS晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。隨后通過BUCK 降壓電路進(jìn)一步降低輸入電壓，以滿足鋰離子電池的充電要求[12]。整個(gè)設(shè)計(jì)方案確保了MOS 晶體管的安全驅(qū)動和充電電路輸出電壓和電流的穩(wěn)定性。

圖4 鋰電池充電電路原理圖

■2.5 鋰電池充電電流檢測電路

圖5 為鋰電池充電電流檢測電路，該電路由INA282 器件完成，該器件供電范圍在+2.7V～+18V 之間，最大電源電流為900μA。該器件通過采集采樣電阻（R68)兩端電壓，得到采集的電壓值再除以采樣電阻的阻值即可得出充電電流值。

圖5 鋰電池充電電流檢測電路原理圖

■2.6 鋰電池充電電壓檢測電路

鋰電池電壓采集電路如圖6 所示，該電路采用電壓跟隨器，將采集的電壓接入運(yùn)放的同相輸入端，運(yùn)放的反相輸入端接到輸出端。這樣的測量電路可以提高輸入阻抗，減小輸出阻抗，使得測得的電壓比較精準(zhǔn)[13]。本設(shè)計(jì)中采樣電阻較小，所以采樣電阻上的電壓較小，如果直接接入單片機(jī)測量會使測量不夠精準(zhǔn)，因此本次設(shè)計(jì)先將采樣電阻的電壓接入同向放大器，放大一定倍數(shù)后接入單片機(jī)測量。

圖6 充電電壓檢測電路原理圖

■2.7 受控電子負(fù)載電路

鋰電池放電電路如圖7 采用電子負(fù)載電路，電子負(fù)載電路原理是通過調(diào)節(jié)MOS 管的柵極電壓來改變MOS 管的導(dǎo)通與關(guān)斷，由此來調(diào)節(jié)源極與漏極間的電流。該電路采用負(fù)反饋電路，輸入電壓經(jīng)過減法器接到運(yùn)放的同相輸入端，反相輸入端連接到電阻R19 使得R19 兩端的電壓恒定，運(yùn)放輸出端與MOS 管的柵極連接使得MOS 管的源極與漏極之間的電流等于R19 的電流。C9 為補(bǔ)償電容，防止MOS 管震蕩，R2 為柵極驅(qū)動電阻。若要調(diào)節(jié)MOS 管的電流則只需調(diào)節(jié)運(yùn)放的輸入電壓，此處電壓由單片機(jī)DAC 提供。

圖7 受控電子負(fù)載電路原理圖

其中DAC 輸出電壓對應(yīng)MOS 管電流公式為：

3 充電控制電路的軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)開啟后，STM32 微處理器需要通過AD 讀取外部電源和鋰電池的電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)測其狀態(tài)并做出相應(yīng)控制和保護(hù)措施。為了使ADC 模塊正常工作，需要進(jìn)行初始化和校準(zhǔn)操作，包括設(shè)置工作模式、采樣時(shí)間、采樣模式等參數(shù)，提高AD 轉(zhuǎn)換的精確度和穩(wěn)定性。對于驅(qū)動芯片IR2104，除了PWM 信號驅(qū)動外，還需要初始化定時(shí)器模塊以提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)和時(shí)序控制，設(shè)置計(jì)數(shù)方式、計(jì)數(shù)周期和輸出模式等參數(shù)。上述操作可以確保ADC 和IR2104 正常工作，并保障整個(gè)系統(tǒng)具有高性能、高穩(wěn)定性和高可靠性。

■3.2 鋰電池狀態(tài)檢測程序設(shè)計(jì)

在初始化所有外部設(shè)備后，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行和鋰電池的安全使用，首先需要執(zhí)行輸出電壓檢測程序[15]。此程序通過STM32 微處理器的AD 模塊對輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷鋰電池的狀態(tài)，選擇是否開始充電。如果設(shè)備未連接到鋰電池，則系統(tǒng)將進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，一直執(zhí)行輸出電壓檢測程序，以避免誤判充電狀態(tài)。當(dāng)檢測到鋰電池存在時(shí)，將跳出該循環(huán)，并執(zhí)行充放電選擇程序。鋰電池狀態(tài)檢測程序的流程圖如圖8所示。

圖8 鋰電池狀態(tài)檢測流程圖

■3.3 充電方式選擇程序設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測到鋰電池已連接到電子設(shè)備后，將采用降壓充電方式對其進(jìn)行充電。此時(shí)，系統(tǒng)將使用PID 控制算法調(diào)整輸出電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)快速達(dá)到設(shè)定值，并在此基礎(chǔ)上對鋰電池進(jìn)行恒壓或恒流充電。具體而言，當(dāng)鋰電池電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)將采用恒流快速充電方式進(jìn)行充電；當(dāng)鋰電池電壓超過預(yù)設(shè)值時(shí)，則采用恒壓充電方式充電。整個(gè)充電過程是通過控制STM32 微處理器輸出的PWM 占空比來實(shí)現(xiàn)的。程序流程圖如圖9 所示。

圖9 充電流程圖

■3.4 放電程序設(shè)計(jì)

放電程序流程圖如圖10 所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，需要對A/D 模塊、D/A 模塊和溫度采集模塊進(jìn)行初始化，確定系統(tǒng)的初始工作狀態(tài)。隨后，根據(jù)不同按鍵的狀態(tài)，進(jìn)入到相應(yīng)的工作模式。在每個(gè)工作模式下，首先要設(shè)置放電電流和放電截止電壓。用戶可以通過按鍵控制，并在確認(rèn)后進(jìn)入設(shè)定的工作模式。此時(shí)，A/D 模塊將實(shí)時(shí)測量電路的參數(shù)，并將其傳輸?shù)組CU 中，以便對電路進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制。同時(shí)，D/A 模塊將根據(jù)設(shè)定的負(fù)載特性調(diào)整輸出電流和電壓，以滿足用戶的需求。

圖10 放電程序流程圖

4 測試與分析

為了驗(yàn)證該裝置的實(shí)用性，我們對該裝置進(jìn)行了測試。在外部電源輸入電壓為 15 V 的情況下，對12.6V、1800mAh 的鋰電池分別進(jìn)行恒流充電測試和恒壓放電測試。

■4.1 鋰電池充電測試

當(dāng)設(shè)置鋰電池電壓低于10.3V時(shí)，采用恒流方式充電。分別將恒電流設(shè)定為1A、2A、3A 對鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)接入外部電源時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入BUCK 充電模式下的恒流充電。根據(jù)充電電流的不同采取其對應(yīng)的電壓，繪制如圖11 所示充電曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著充電電流的增加，充電速率提高，但需要注意的是，在高電流充電時(shí)，電池需要更加精確地充電電流和電壓控制，以保證充電的安全性和效果。

圖11 鋰電池充電特性曲線

■4.2 鋰電池放電測試

圖12 所示為倍率分別在0.5C、1C 和1.5C 的放電倍率下繪制。從圖中可以看出，放電倍率不同，鋰電池的電壓相對容量的變化則不同，放電倍率越大，曲線下降得越快；采用倍率越高的放電方式，最后能放出的能量就越少；不管是以何種倍率放電，最終電壓都會停止在8.4V 左右，無法繼續(xù)下降，如果再繼續(xù)放電，電池則會損壞。

圖12 鋰電池放電特性曲線

■4.3 測試分析

該實(shí)驗(yàn)通過圖11 和圖12 的結(jié)果表明，提高充電電流可以加快充電速率，但是需要更為精確地電流和電壓控制來保證充電的安全性和效果。而不同放電倍率導(dǎo)致鋰電池容量和電壓變化的差異，在高倍率下能放出的能量也會越少。該實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化和創(chuàng)新鋰電池充電控制技術(shù)提供了參考和指導(dǎo)，并驗(yàn)證了該裝置的高效、安全地充放電控制，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性，有助于提高鋰電池使用壽命和安全性，為便攜式設(shè)備的使用和發(fā)展提供支持。

5 結(jié)語

本文基于STM32 微控制器設(shè)計(jì)了一種鋰電池自動充電電路，該電路通過采用BUCK 電路的工作方式有效解決了便攜式設(shè)備中鋰電池供電壽命短、充電方式單一等問題。同時(shí)，STM32 微控制器的優(yōu)異性能和可靠性，使得該充電電路可以精確控制充電電流和充電電壓，保障鋰電池在充電過程中的安全和長期使用。未來，這種充電電路還可以與GPRS、WiFi 等模塊電路相結(jié)合，設(shè)計(jì)出特定的便攜式多功能充電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對鋰電池的更加智能化和高效化管理。這將對推動便攜式設(shè)備的鋰電池充電控制技術(shù)和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

總之，本文提出的鋰電池自動充電電路為便攜式設(shè)備的使用提供了更加可靠和便捷的電源支持，同時(shí)也為便攜式設(shè)備鋰電池充電控制技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新提供了思路和借鑒。