基于STM32的锂电池充放电系统的设计

基于STM32的锂电池充放电系统的设计——硬件部分

专业：电子科学与技术学号：111100630 姓名：许金科

指导老师：曾益彬

摘要

锂电池的使用越来越广泛，为了能够充分发挥锂电池的性能，提高电池使用效率并延长电池寿命，需要设计一个锂电池充放电管理系统，该系统是以STM32为控制核心，通过使用RT9545来实现对电池保护。通过使用电源管理芯片BQ24230实现对锂电池充放电路径管理，通过使用电池电量检测芯片BQ27410来实现对电池剩余电池容量SOC、充电状态、电池电压、电池充放电电流、电池温度等参数的检测。通过使用DC-DC升压芯片LMR62421能够输出稳定的电压，实现对整个系统的供电，最后通过STM32实现对电池状态信息的读取与显示。

关键词：电池管理系统，SOC，充电方式

Lithium Battery Charging and Discharging System Design Based on STM32———Hardware

Abstract

More widespread use of lithium batteries, in order to give full play to the performance of lithium batteries, to improve battery efficiency and extend battery life, it need to design a lithium battery charge and discharge management system, which is based STM32 control core, through the use of RT9545 to realization of battery protection. By using the power management chip BQ24230 lithium battery charge and discharge path to achieve the management, through the use of battery detection chip BQ27410 to achieve the battery remaining battery capacity SOC, detection current, temperature and other parameters of the battery state of charge, battery voltage, battery charge and discharge. By using the DC-DC boost chip output stable voltage LMR62421 able to achieve power to the entire system, and finally through STM32 achieve read and display the battery status information.

Key words：Battery Management System，SOC，Charge Mode

1引言

近年来，随着移动通信网络的普及应用以及便携式设备的快速发展，使得可循环充放电的电池得到了广泛的应用[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]，但由于锂电池本身有着较为复杂的化学性质，过放、过冲、过流、高温都会影响电池的寿命损害电池性能甚至出现安全事故，由此可见，设计一个高效安全的锂电池充放电管理系统来提高电池的使用率，实现对整个电池系统保护以及对电池状态信息[3]的监测是非常有必要的。

2 系统的总体设计

2.1 系统实现的功能

本系统主要是实现节锂离子电池的充放电管理，并通过STM32处理器实现对电池状态信息的处理与显示，具体实现的功能如下：

（1）通过对锂电池特性的分析，确定电池不同充电阶段的充电电流。

（2）通过外部NTC热敏电阻不同的取值实现对充电电池的高温保护。

（3）实现电池动态电源路径管理，能够自适应DPPM与VIN-DPM模式。

（4）能够实现电池过充过放保护，避免锂电池内部发生不可逆的化学反应。

（5）能够通过STM32实现对电池状态信息的采集、处理与显示。

（6）设计DC-DC升压电路提供稳定的电源输出，实现对整个系统的供电。

2.2 系统总体设计方案

本系统的整体设计方案主要包括了以下几个部分：电池保护电路模块、电池充放电路径模块、电池信息采集模块、电源模块、总体控制模块、显示模块。系统的总体框图如下图1所示：

图1 系统总体框图

3 系统硬件电路的设计

本系统核心元器件的使用图如图2所示：

图2 系统核心元器件的使用图

3.1 主控制模块STM32F103C8T6设计

本次主控制模块采用的核心处理器芯片型号是STM32F103RBT6，该芯片具有丰富的内部资源，内部自带具有FLASH、SRAM、以及多个串口、支持USB和CAN接口、内部自带2个12位的ADC、具有RTC功能、51个可用的IO管脚、支持多种程序下载方式[4]。

3.2 锂离子电池保护电路设计

本次系统使用的电池保护电路是以RT9545芯片以及相对应的外围硬件电路，该芯片外围硬件电路如下图3所示：

图3 RT9545保护电路

电路中的两个MOS管Q1 和Q2 是用于电池充电和放电的开关，同时也是作为过流检测元件，当芯片在开关两端检测到大的压降时，就会使得MOSFET截止，进而关闭流过电池的电流，从而达到电池保护效果，对于过压和欠压状态的检测是通过对VDD 和VSS

之间电压的侦测来完成的[5]。当充电电压高于设定的充电阈值时比较器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Q2的MOSFET处于截止状态，防止电池出现过充；当放电电压低于预先设定的放电阈值时，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Q1的MOSFET处于截止状态，最终起到过放保护作用；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Q2的MOSFET处于截止状态，起到过流保护作用。

3.3 锂电池充放电路径管理电路设计

本次电池充放电路径管理使用的主芯片是BQ24230，该芯片能够实现可编程输入电流，集成了动态电源路径管理，具有过压保护，可编程预充电和快速充电安全时间，具有NTC热敏电阻输入能实现电池的高温保护，该芯片具有状态指示灯能够指示充电状态和充电完成状态和电源良好指示灯。有输入功率动态管理（VIN-DPM）和动态电源路径管理（DPPM）两种功能，VIN-DPM能够限制输入电流，防止充电器设计不当或USB过大电流对电池造成损坏；DPPM模式下当充电电流不能够提供系统的负载即适配器不能提供峰值系统电流，允许电池以补充系统电流，使系统稳定工作[7]；该芯片能够实现对电池的三个充电阶段：预充电、恒定电流和恒定电压充电，并能够根据电池内部的温度实现对电池的充电电流调整；该芯片集成充电器功率级和充电电流感应功能具有高精度的电流和电压调节环路[8]。

该芯片的外围硬件电路如下图4所示：

图4 锂电池充放电路径管理

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以及相对应得外围硬件电路实现的，具

体的电路设计如下图5所示：

图5 锂电池状态信息采集

该芯片适用于单节的锂离子电池应用，内部采用的是Impedance Track?技术来实现对电池剩余电量、充电状态、电池电流、电池电压、老化程度等信息查询。该芯片内部集成LDO可直接通过电池对芯片进行供电，内部集成处理器，支持电池温度报告，可以配置电池的充电中断方式，该芯片的通信方式是IIC协议，只需通过上拉电阻就可以实现与处理器之间的通信，从而可以读取电池的状态信息。

3.5 DC-DC升压模块电路设计

本次系统设计的DC-DC升压电路是由主芯片LMR62421以及相对应的外围硬件电路来实现的，该芯片的电压输入范围为2.7V到5.5V，最高电压输出可以达到24V，最高的输出电流可以达到2.1A，内部具有很高的1.6MHZ的开关频率。该芯片的外围硬件电路如下图6所示：

图6 LMR62421升压模块电路

该升压电路的工作原理是通过恒定的开关频率和调节占空比来控制内部NMOS的关断，开关周期是从内部振荡器的下降沿开始，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

断开期间电感的电流通过二极管进行放电，此时SW的开关电压为输出电压加上二极管的正向电压。输入电容是用来保证SW开关瞬间输入电压不会下降太多，正常的电容值是10UF，输出电容主要是考虑到输出纹波特性和瞬态响应正常的电容值是4.7UF。

3.6 显示模块电路设计

该显示屏的硬件原理图如下图7所示：

图7 LCD12864原理图

4 系统软件的设计

本系统软件设计主要是对锂电池状态信息的采集、处理与显示，锂电池的状态信息是STM32F103RBT6通过IIC协议来读取BQ27410内部寄存器的值。

BQ27410的读写时序如下图8所示：

图8 BQ27410读写时序

读取内部寄存器的值，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，经过停止信号后完成读的整个过程。对BQ27410写数据时，可以对芯片进行连续写数据，经过开始信号后，向芯片发送地址，再发送指令，响应后发送要写

入的值，就完成了写的过程。

本次显示屏用的是LCD12864，数据的传输方式是通过串行传输，先对显示屏进行初始化后，向显示屏发送要显示的地址，然后再发送要显示的数据。

LCD12864串口传输时序如下图9所示：

图9 LCD12864串口传输时序

系统软件框图如下图10所示:

图10 软件流程图

5 系统测试

对于BQ24230充放电管理模块的测试，当插上USB线的时候，电源良好状态指示灯能够正常显示，在充电过程中充电指示灯会正常亮起，当充电完成时充电指示灯会熄灭，此时系统的供电时有USB进行供电，然后剩余电流再给电池充电，当拔掉USB线时两个指示灯都会熄灭，此时整个系统由电池完成供电，从而实现电池充放电动态路径管理。

对于电池充电过程电流电压变化的测试如下图6-3：

图6-3 充电电流的测试图

图中I(PRECHG)的值70mA，进入恒流充电的充电电压是3.2V，I O(CHG)的大小为364mA，当电压达到4.07V时电流会不断的下降。

对于BQ27410电池状态信息采集的测试，电池在充电和放电时，由于电池本身存在内阻，充电时所测量的电压值会高于电池的开路电压，放电时所测量的电压会低于电池的开路电压。充电时电池的端电压与剩余容量的关系图如下图6-4所示：

图6-4 充电时电池电压与剩余容量的关系图

放电时电池的端电压与剩余容量的关系图如下图6-5所示：

图6-5 放电时电池电压与剩余容量的关系图

由根据电池内阻与电池端电压以及电池开路电压的关系，可以求出电池的阻抗和开路电压，最后根据电池厂家的OCV曲线得到电池的剩余容量关系，其关系如下图6-6所示：

图6-6 电池的OCV曲线

对于LMR62421升压模块测试，主要分为输出电压测试和负载能力测试，本次升压电路的电流输出为700mA，当负载不断下降时，输出电流不断上升，当输出电流小于最大输出电流时，系统的输出电压将会不断下降升压芯片发热严重。输出电压测试结果如下表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

4.995

3.8 5.001

3.9 5.001

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

升压模块的负载能力测试结果如下表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）输出电压（V）

1000 5.01

500 5.00

200 5.00

100 4.99

80 4.99

60 4.23

图6-8 升压模块负载能力测试图

6 结论

本文所讲述的是锂电池充放电管理系统的设计，该系统能够实现对锂电池的过放、过充、过流保护，能够实现电池充放电路径的动态管理，能够通过STM32读取BQ27410内部电池的状态信息，并在显示屏LCD12864上显示，显示的参数有电池电压、电池充放电电流、电池的剩余容量以及电池温度，升压电路的输出电流可以达到700mA，纹波输出小于10mV。本系统采用的电池剩余容量评估技术是阻抗跟踪技术，能够消除电池老化对电池剩余容量评估的影响，该系统只要对电量计芯片简单配置后就可以适用于其他不同容量的单节锂电池，不需要经过长时间的学习。该系统具有很大的实用性，对电池状态信息的检测具有很高的准确性。

参考文献

[1] 乔思洁.锂电池管理系统的研究与设计[D].中国海洋大学,2009.

[2] 许亮.电动自行车用锂电池自然循环寿命试验及模型研究[D].北京理工大学,2013.

[3] 栾成强,刘伟然.智能电池监视器[J].今日电子,2003,(10):52-53.

[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,2007,(7):95-95.

[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,2006.

[6] 赵庚申,王庆章.简单实用的全自动蓄电池充电控制器[J].太阳能, 2003,(3):16-17.

[7] 袁敦朋,张志文.SAIT高频开关电源监控系统的电池管理[J].通信电源技术,1997,(4):29-32.

[8] 齐凤河,王桂敏.基于VM7205的锂离子电池充电系统[J].大庆师范学院学报,2009,29(3):23-25.