基于的锂电池充放电系统的设计样本Word格式文档下载.docx
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LithiumBatteryChargingandDischargingSystem
DesignBasedonSTM32———Hardware
Abstract
Morewidespreaduseoflithiumbatteries，inordertogivefullplaytotheperformanceoflithiumbatteries，toimprovebatteryefficiencyandextendbatterylife，itneedtodesignalithiumbatterychargeanddischargemanagementsystem，whichisbasedSTM32controlcore，throughtheuseofRT9545torealizationofbatteryprotection.ByusingthepowermanagementchipBQ24230lithiumbatterychargeanddischargepathtoachievethemanagement，throughtheuseofbatterydetectionchipBQ27410toachievethebatteryremainingbatterycapacitySOC，detectioncurrent，temperatureandotherparametersofthebatterystateofcharge，batteryvoltage，batterychargeanddischarge.ByusingtheDC-DCboostchipoutputstablevoltageLMR62421abletoachievepowertotheentiresystem，andfinallythroughSTM32achievereadanddisplaythebatterystatusinformation.
Keywords：
BatteryManagementSystem，SOC，ChargeMode
1引言
近年来，随着移动通信网络普及应用以及便携式设备迅速发展，使得可循环充放电电池得到了广泛应用[1]，锂离子电池凭借着使用寿命长等优势在众多电池材料中脱颖而出[2]，但由于锂电池自身有着较为复杂化学性质，过放、过冲、过流、高温都会影响电池寿命损害电池性能甚至浮现安全事故，由此可见，设计一种高效安全锂电池充放电管理系统来提高电池使用率，实现对整个电池系统保护以及对电池状态信息[3]监测是非常有必要。
2系统总体设计
2.1系统实现功能
本系统重要是实现节锂离子电池充放电管理，并通过STM32解决器实现对电池状态信息解决与显示，详细实现功能如下：
（1）通过对锂电池特性分析，拟定电池不同充电阶段充电电流。
（2）通过外部NTC热敏电阻不同取值实现对充电电池高温保护。
（3）实现电池动态电源途径管理，可以自适应DPPM与VIN-DPM模式。
（4）可以实现电池过充过放保护，避免锂电池内部发生不可逆化学反映。
（5）可以通过STM32实现对电池状态信息采集、解决与显示。
（6）设计DC-DC升压电路提供稳定电源输出，实现对整个系统供电。
2.2系统总体设计方案
本系统整体设计方案重要涉及了如下几种某些：
电池保护电路模块、电池充放电途径模块、电池信息采集模块、电源模块、总体控制模块、显示模块。
系统总体框图如下图1所示：
图1系统总体框图
3系统硬件电路设计
本系统核心元器件使用图如图2所示：
图2系统核心元器件使用图
3.1主控制模块STM32F103C8T6设计
本次主控制模块采用核心解决器芯片型号是STM32F103RBT6，该芯片具备丰富内部资源，内部自带具备FLASH、SRAM、以及各种串口、支持USB和CAN接口、内部自带2个12位ADC、具备RTC功能、51个可用IO管脚、支持各种程序下载方式[4]。
3.2锂离子电池保护电路设计
本次系统使用电池保护电路是以RT9545芯片以及相相应外围硬件电路，该芯片外围硬件电路如下图3所示：
图3RT9545保护电路
电路中两个MOS管Q1和Q2是用于电池充电和放电开关，同步也是作为过流检测元件，当芯片在开关两端检测到大压降时，就会使得MOSFET截止，进而关闭流过电池电流，从而达到电池保护效果，对于过压和欠压状态检测是通过对VDD和VSS之间电压侦测来完毕[5]。
当充电电压高于设定充电阈值时比较器VD1将会变为低电平，VD4输出高电平，此时COUT管脚变为低电平，使Q2MOSFET处在截止状态，防止电池浮现过充；
当放电电压低于预先设定放电阈值时，此时比较器VD2将会变为低电平，VD变为低电平，此时DOUT管脚将会变为低电平，从而使Q1MOSFET处在截止状态，最后起到过放保护作用；
当电流过大时，内部短路电路检测模块将会变为低电平，从而使COUT引脚变为低电平[6]，使得Q2MOSFET处在截止状态，起到过流保护作用。
3.3锂电池充放电途径管理电路设计
本次电池充放电途径管理使用主芯片是BQ24230，该芯片可以实现可编程输入电流，集成了动态电源途径管理，具备过压保护，可编程预充电和迅速充电安全时间，具备NTC热敏电阻输入能实现电池高温保护，该芯片具备状态批示灯可以批示充电状态和充电完毕状态和电源良好批示灯。
有输入功率动态管理（VIN-DPM）和动态电源途径管理（DPPM）两种功能，VIN-DPM可以限制输入电流，防止充电器设计不当或USB过大电流对电池导致损坏；
DPPM模式下当充电电流不可以提供系统负载即适配器不能提供峰值系统电流，容许电池以补充系统电流，使系统稳定工作[7]；
该芯片可以实现对电池三个充电阶段：
预充电、恒定电流和恒定电压充电，并可以依照电池内部温度实现对电池充电电流调节；
该芯片集成充电器功率级和充电电流感应功能具备高精度电流和电压调节环路[8]。
该芯片外围硬件电路如下图4所示：
图4锂电池充放电途径管理
3.4锂离子电池状态信息采集模块
本次锂电池状态信息采集是由主芯片BQ27410以及相相应得外围硬件电路实现，详细
电路设计如下图5所示：
图5锂电池状态信息采集
该芯片合用于单节锂离子电池应用，内部采用是ImpedanceTrack™技术来实现对电池剩余电量、充电状态、电池电流、电池电压、老化限度等信息查询。
该芯片内部集成LDO可直接通过电池对芯片进行供电，内部集成解决器，支持电池温度报告，可以配备电池充电中断方式，该芯片通信方式是IIC合同，只需通过上拉电阻就可以实现与解决器之间通信，从而可以读取电池状态信息。
3.5DC-DC升压模块电路设计
本次系统设计DC-DC升压电路是由主芯片LMR62421以及相相应外围硬件电路来实现，该芯片电压输入范畴为2.7V到5.5V，最高电压输出可以达到24V，最高输出电流可以达到2.1A，内部具备很高1.6MHZ开关频率。
该芯片外围硬件电路如下图6所示：
图6LMR62421升压模块电路
该升压电路工作原理是通过恒定开关频率和调节占空比来控制内部NMOS关断，开关周期是从内部振荡器下降沿开始，通过SR锁存器输出高电平使得NMOS管导通此时SW将通过电阻连接到地，当PWM比较器输出高电平时NMOS管将会断开，开关断开期间电感电流通过二极管进行放电，此时SW开关电压为输出电压加上二极管正向电压。
输入电容是用来保证SW开关瞬间输入电压不会下降太多，正常电容值是10UF，输出电容重要是考虑到输出纹波特性和瞬态响应正常电容值是4.7UF。
3.6显示模块电路设计
该显示屏硬件原理图如下图7所示：
图7LCD12864原理图
4系统软件设计
本系统软件设计重要是对锂电池状态信息采集、解决与显示，锂电池状态信息是STM32F103RBT6通过IIC合同来读取BQ27410内部寄存器值。
BQ27410读写时序如下图8所示：
图8BQ27410读写时序
读取内部寄存器值，要先给BQ27410发送开始信号，然后发送地址，响应后再发送指令，最后读取数据，通过停止信号后完毕读整个过程。
对BQ27410写数据时，可以对芯片进行持续写数据，通过开始信号后，向芯片发送地址，再发送指令，响应后发送要写入值，就完毕了写过程。
本次显示屏用是LCD12864，数据传播方式是通过串行传播，先对显示屏进行初始化后，向显示屏发送要显示地址，然后再发送要显示数据。
LCD12864串口传播时序如下图9所示：
图9LCD12864串口传播时序
系统软件框图如下图10所示:
是
图10软件流程图
5系统测试
对于BQ24230充放电管理模块测试，当插上USB线时候，电源良好状态批示灯可以正常显示，在充电过程中充电批示灯会正常亮起，当充电完毕时充电批示灯会熄灭，此时系统供电时有USB进行供电，然后剩余电流再给电池充电，当拔掉USB线时两个批示灯都会熄灭，此时整个系统由电池完毕供电，从而实现电池充放电动态途径管理。
对于电池充电过程电流电压变化测试如下图6-3：
图6-3充电电流测试图
图中I（PRECHG）值70mA，进入恒流充电充电电压是3.2V，IO（CHG）大小为364mA，当电压达到4.07V时电流会不断下降。
对于BQ27410电池状态信息采集测试，电池在充电和放电时，由于电池自身存在内阻，充电时所测量电压值会高于电池开路电压，放电时所测量电压会低于电池开路电压。
充电时电池端电压与剩余容量关系图如下图6-4所示：
图6-4充电时电池电压与剩余容量关系图
放电时电池端电压与剩余容量关系图如下图6-5所示：
图6-5放电时电池电压与剩余容量关系图
由依照电池内阻与电池端电压以及电池开路电压关系，可以求出电池阻抗和开路电压，最后依照电池厂家OCV曲线得到电池剩余容量关系，其关系如下图6-6所示：
图6-6电池OCV曲线
对于LMR62421升压模块测试，重要分为输出电压测试和负载能力测试，本次升压电路电流输出为700mA，当负载不断下降时，输出电流不断上升，当输出电流不大于最大输出电流时，系统输出电压将会不断下降升压芯片发热严重。
输出电压测试成果如下表6-1：
表6-1输出电压稳定性测试
输入电压（V）
输出电压（V）
3.5
4.995
3.7
3.8
5.001
3.9
4.2
5.005
折线图如图6-7所示所示：
图6-7升压模块输出电压测试图
升压模块负载能力测试成果如下表6-2和折线图如图6-8所示：
表6-2负载能力测试
系统负载（Ω）
1000
5.01
500
5.00
200
100
4.99
80
60
4.23
图6-8升压模块负载能力测试图
6结论
本文所讲述是锂电池充放电管理系统设计，该系统可以实现对锂电池过放、过充、过流保护，可以实现电池充放电途径动态管理，可以通过STM32读取BQ27410内部电池状态信息，并在显示屏LCD12864上显示，显示参数有电池电压、电池充放电电流、电池剩余容量以及电池温度，升压电路输出电流可以达到700mA，纹波输出不大于10mV。
本系统采用电池剩余容量评估技术是阻抗跟踪技术，可以消除电池老化对电池剩余容量评估影响，该系统只要对电量计芯片简朴配备后就可以合用于其她不同容量单节锂电池，不需要通过长时间学习。
该系统具备很大实用性，对电池状态信息检测具备很高精确性。
参照文献
[1]乔思洁.锂电池管理系统研究与设计[D].中华人民共和国海洋大学,.
[2]许亮.电动自行车用锂电池自然循环寿命实验及模型研究[D].北京理工大学,.
[3]栾成强,刘伟然.智能电池监视器[J].今日电子,,（10）:
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[4]田园.ST32位系列Cortex-M3内核微控制器重塑MCU市场[J].电子设计应用,,（7）:
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[5]张艳红.低功耗锂离子电池保护电路设计[D].华中科技大学,.
[6]赵庚申,王庆章.简朴实用全自动蓄电池充电控制器[J].太阳能，,（3）:
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[7]袁敦朋,张志文.SAIT高频开关电源监控系统电池管理[J].通信电源技术,1997,（4）:
29-32.
[8]齐凤河,王桂敏.基于VM7205锂离子电池充电系统[J].大庆师范学院学报,,29（3）:
23-25.
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