基于STM單片機(jī)的智能鋰電池組平衡充電器設(shè)計(jì)

關(guān)健生

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門361024）

由于組成鋰電池組的單體電池內(nèi)部特性無法做到一致，人們?cè)诙啻问褂秒姵亟M后，單體電池的差異性就體現(xiàn)出來，如容量會(huì)減小。通常情況下鋰電池組充電時(shí)采用串聯(lián)充電的方式，這樣就會(huì)存在電池組中容量最小的單體電池會(huì)最先達(dá)到最大電壓4．2 V，而其余的單體電池則沒有。此時(shí)電池組電荷容量也還未最大化，電池組總電壓未飽和，繼續(xù)充電則會(huì)導(dǎo)致容量較小的單體電池出現(xiàn)過度充電現(xiàn)象，鋰電池化學(xué)成分會(huì)遭到破壞，減少使用壽命，有可能會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于STC單片機(jī)的鋰電池組智能平衡充電器，該充電器能夠?qū)︿嚲酆衔镫姵亟M的充電、斷電和報(bào)警進(jìn)行控制，具有智能化、操作方便等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)主要包括電源模塊、STM單片機(jī)主控板、差分運(yùn)算電路、平衡充電電路和電流采樣模塊等。圖1是智能平衡充電器的總體結(jié)構(gòu)框圖。

在充電過程中，該充電器通過并聯(lián)在每個(gè)單體電池上的差分電路，檢測單體電池的電壓，再根據(jù)單體電池電壓來決定每個(gè)平衡電路的工作狀態(tài)。先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)某個(gè)單體電壓達(dá)到最大值時(shí)，該平衡電路開啟，該單體電池立即進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，起到保護(hù)作用和不影響其余單體電池繼續(xù)充電。所有單體電池達(dá)到最大電壓時(shí)，整體電池組進(jìn)行恒壓充電，實(shí)現(xiàn)電池組儲(chǔ)能最大化。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)單體電池電壓均達(dá)到4．2 V，所有的平衡電路斷開，整個(gè)電池組進(jìn)入恒壓充電，保持充電電壓為4．2 V，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至0．1 A時(shí)，并持續(xù)再恒壓充電10 min后，切斷供電電源，并發(fā)出聲音報(bào)警，表示充電結(jié)束。由此可將充電過程劃分為快充、滿充、斷電和報(bào)警四個(gè)階段。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由LM324運(yùn)放和電阻組成差分運(yùn)算電路，共有8路，對(duì)電池組的各個(gè)單體電池電壓進(jìn)行前期調(diào)理，然后送入單片機(jī)AD進(jìn)行電壓值測量，該電壓值既是電池安全電壓和控制平衡的保證，又是恒壓充電階段的閉環(huán)反饋量。平衡控制電路由三極管和功率電阻串聯(lián)組成，由單片機(jī)控制三極管開斷，進(jìn)而控制平衡控制電路工作。接入充電的電池組中每個(gè)單體電池都有與之并聯(lián)的平衡控制電路。充電電路由MOS管、電感和BUCK、BOOST電路組成，由單片機(jī)發(fā)出PWM脈寬信號(hào)來控制其輸出功率。

2．1 差分運(yùn)算電路

假設(shè)該單體電池為電池組中的第N芯電池，那么在它之前還串聯(lián)了N－1個(gè)單體電池，設(shè)每個(gè)單體電池正負(fù)極之間的電壓都為UB，那么可以得出其實(shí)際電壓。

2．2 控制平衡電路設(shè)計(jì)

鋰電池組接入系統(tǒng)充電時(shí)，各個(gè)單體電池都有與之并聯(lián)的控制平衡電路。電路由一個(gè)達(dá)林頓管與2 W的功率電阻串聯(lián)組成，達(dá)林頓管再與一個(gè)數(shù)字晶體管連接，由數(shù)字晶體管間接控制達(dá)林頓管的開斷?？刂七^程為：當(dāng)單片機(jī)的AD掃描測量該單體電池的電壓達(dá)到4．2 V時(shí)，說明不能再對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行恒流充電，否則會(huì)造成過度充電，此時(shí)單片機(jī)控制數(shù)字晶體管導(dǎo)通達(dá)林頓管，使該路的電阻進(jìn)行分流工作，同時(shí)不影響其他單體電池繼續(xù)充電，也不會(huì)造成充電過程中斷。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)共有8路控制平衡電路，它們按順序串聯(lián)在一起。在電池組的實(shí)際充電過程中，若發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)單體電池的電壓明顯比其它單體電池的電壓低，為了縮短充電時(shí)間，開啟其余單體電池的平衡電路，該單體電池不開啟平衡電路，設(shè)置較小的電流進(jìn)行充電。其余的單體電池由于分流電阻的分流作用，其真實(shí)充電電流很小，幾乎不充電。充電進(jìn)行到該單體電池的電壓與其余電池電壓接近時(shí)，斷開所有平衡電路，電池組進(jìn)行恒流充電。如果充電開始時(shí)單體電池的電壓幾乎在同一水平上，那么所有電池都進(jìn)行恒流充電，當(dāng)某單體電壓達(dá)到最大電壓時(shí)，該單體電池就先進(jìn)入平衡充電狀態(tài)，當(dāng)所有單體電池均達(dá)到最大電壓時(shí)，斷開所有平衡電路開關(guān)，電池組進(jìn)行恒壓充電，當(dāng)充電電流小于50 mA時(shí)，認(rèn)為充電完成。

2．3 BUCK和BOOST電路

單片機(jī)的PWM口輸出為TTL5 V電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)BUCK和BOOST電路的PWM需要12 V的電平，所以設(shè)計(jì)上通過電平轉(zhuǎn)換電路及使能控制端，與非門用于PWM信號(hào)和使能的配合，達(dá)到控制目的，同時(shí)隔離12 V電源的噪聲對(duì)單片機(jī)IO口的影響。

要使用BOOST升壓電路，EN2輸入高電平，使能PWM＿BOOST信號(hào)。EN1輸入低電平，使BUCK降壓電路的MOS管全導(dǎo)通，相當(dāng)于BUCK降壓電路不進(jìn)行降壓工作。PWM信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)與非門，輸出信號(hào)與原信號(hào)同相位，串聯(lián)2 kΩ電阻后，作為比較器LM393的同相端輸入信號(hào)。比較器的反相端通過兩個(gè)電阻分壓，設(shè)置為2．5 V，即為門限電壓。LM393的輸出為開路，所以接上拉電阻6．8 kΩ到12 V電源，至此就實(shí)現(xiàn)了BOOST電路的PWM波電平轉(zhuǎn)換和使能控制。

BUCK和BOOST電路中由三級(jí)管8050和8550組成互補(bǔ)推挽，作為MOS管驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為上級(jí)LM393輸出的PWM脈寬波，三極管射極輸出功率穩(wěn)定的波形。

研究開關(guān)電路，有兩條基本定理：

（1）穩(wěn)態(tài)條件下，電路中電感兩端的電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為0。

（2）穩(wěn)態(tài)條件下，電路中電容電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值也為0。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序的總體設(shè)計(jì)思想是：首先根據(jù)電池的參數(shù)進(jìn)行充電電壓、電流和單體電池?cái)?shù)目的設(shè)置，再通過差分電路檢測電池組中單體電池的個(gè)數(shù)是否與設(shè)置相符。若不相符不進(jìn)行充電，相符則開始恒流充電。同時(shí)電壓檢測模塊進(jìn)行電壓測量，當(dāng)某個(gè)單體電壓達(dá)到截止電壓4．2 V時(shí)，該路平衡電路開啟，單體電池立即進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，起到保護(hù)作用而不影響其余單體電池繼續(xù)充電。所有單體電池達(dá)到最大電壓時(shí)，斷開平衡電路，整體電池組進(jìn)行恒壓充電，當(dāng)充電電流小于0．1 A并持續(xù)10 min，充電結(jié)束，如圖2所示。

圖2 總電流變化趨勢圖和總電壓變化趨勢圖

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

使用該智能平衡充電器對(duì)6芯串聯(lián)鋰聚合物電池組進(jìn)行充電測試，為了使電池組安全充電，一般設(shè)置最大充電電流小于2．0A。此次實(shí)驗(yàn)，設(shè)置充電電流為1．0A。待充電池組的起始電壓為21．41 V，各個(gè)單體電池電壓：u1＝3．46 V，u2＝3．67 V，u3＝3．54 V，u4＝3．57 V，u5＝3．64 V，u6＝3．53 V，圖2為總充電電流變化趨勢圖和總電壓變化趨勢圖。

從t＝0到t＝245 min時(shí)段，電池組進(jìn)行的是恒流充電，在這個(gè)階段充電電流恒為1．0A，隨著充電的進(jìn)行，整個(gè)電池組的電壓不斷上升。當(dāng)電池組電壓達(dá)到充電截止電壓25．2 V時(shí)，說明接下來要進(jìn)行恒壓充電，充電系統(tǒng)把電壓值作為反饋來控制PWM輸出。恒壓充電時(shí)，隨著充電的進(jìn)行，充電電流不斷減小，直至充電電流小于0．1 A，則認(rèn)為充電結(jié)束。

［1］ 高艷麗．一種DC－DC升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007．

［2］ 張 亮．光伏系統(tǒng)中鋰電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)出版社，2012．

［3］ 宋加仁，茅力群．基于HT46R23的鋰離子電池智能充電器［J］．電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003，（8）：67－69．