楊保亮 楊守良

摘 要： 隨著電子產(chǎn)品的普及和鋰電池應(yīng)用的增多，對(duì)鋰離子電池的檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求。文中提出一種基于STM32和PWM的鋰離子電池檢測(cè)系統(tǒng)，其采用雙層分布式結(jié)構(gòu)，即工控機(jī)與微處理器分別作為上位機(jī)與下位機(jī)。充放電技術(shù)為脈沖寬度調(diào)制，控制策略為閉環(huán)負(fù)反饋，底層為可擴(kuò)展的模塊化檢測(cè)平臺(tái)，從而根據(jù)要求設(shè)定程序以完成多種工步的檢測(cè)。文中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)了鋰電池的充放電、信號(hào)采集等控制模塊，最后運(yùn)用實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性與精度高、響應(yīng)速度快、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，能滿足鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)定與多工步檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： STM32單片機(jī); PWM; 鋰離子電池; 脈沖寬度調(diào)制; 分布式控制; 閉環(huán)負(fù)反饋

中圖分類號(hào)： TN304.6?34; TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）12?0120?04

Abstract： The popularization of electronic products and the increase of lithium?ion battery application set a high requirement for the detection system of lithium?ion batteries. Therefore， a lithium?ion battery detection system based on STM32 and PWM is proposed in this paper. The system adopts the double?layer distributed structure with the IPC as the upper computer and microprocessor as the lower computer respectively. In this system， programs are set according to the requirements of the charge and discharge technology being used for pulse width modulation， the closed?loop negative feedback being used as the control strategy， and the extensible modularized detection platform being put at the bottom level， so as to accomplish the detection of multiple process steps. The overall design scheme of the detection system is introduced， and control modules such as charge and discharge module and signal acquisition module are designed. An experiment was carried out to verify the system designed in this paper. The results show that the system has the advantages of high reliability and precision， fast response speed， and easy operation， which can meet the requirements of program setting and detection of multiple process steps.

Keywords： STM32 MCU; PWM; lithium?ion battery; pulse width modulation; distributed control; closed?loop negative feedback

0 引 言

近年來(lái)電子產(chǎn)品逐漸普及，使得鋰離子電池應(yīng)用范圍逐漸變廣[1]，且電子產(chǎn)品的高能量密度、高循環(huán)壽命與高轉(zhuǎn)換效率等的要求對(duì)鋰離子電池的檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求[2?4]。本文提出了一種基于STM32和PWM的鋰離子電池檢測(cè)系統(tǒng)，其采用雙層分布式結(jié)構(gòu)，即工控機(jī)與Cortex?M3微處理器[5]分別作為上位機(jī)與下位機(jī)。充放電技術(shù)為脈沖寬度調(diào)制，控制策略為閉環(huán)負(fù)反饋，底層為可擴(kuò)展的模塊化檢測(cè)平臺(tái)，從而根據(jù)要求設(shè)定程序以完成多種工步的檢測(cè)。其中，運(yùn)用上位機(jī)來(lái)對(duì)電池充放電參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，用其過(guò)程進(jìn)行控制，所以當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)能夠及時(shí)停止。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有保護(hù)電路，能夠?qū)^(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流等情況進(jìn)行保護(hù)。本文對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)了鋰電池的充放電、信號(hào)采集等控制模塊。最終，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性與精度高、響應(yīng)速度快和操作方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)定與多工步檢測(cè)。

1 檢測(cè)參數(shù)和方案設(shè)計(jì)

對(duì)電池的性能檢測(cè)是對(duì)電池的電壓、電流、溫度以及容量等電性能與存儲(chǔ)性能進(jìn)行檢測(cè)，以此判斷電池的狀態(tài)是否符合國(guó)標(biāo)的基本參數(shù)指標(biāo)。并對(duì)其進(jìn)行篩選評(píng)級(jí)，得到合格的鋰電池[6]。挑選時(shí)需要盡可能的選擇參數(shù)一致的電池，以使得其組合使用時(shí)可獲得最佳性能。鋰電池的性能參數(shù)除了電壓、電流、容量的常規(guī)性能，還包括可靠性能與安全性能。其中，不能直接測(cè)量容量性能，其是通過(guò)放電的恒電流值與放電時(shí)間的乘積進(jìn)行計(jì)算的[7?10]。

該系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)中的上位機(jī)主要是用戶管理層，其基于工控機(jī)是用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作檢測(cè)平臺(tái)和人機(jī)交互的，最多可操作的檢測(cè)平臺(tái)數(shù)為32個(gè)。上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制器間的通信方式為CAN總線，能夠?qū)崿F(xiàn)指令的輸入、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和信息的顯示等功能，最終完成信息集成控制。此外，CAN總線能夠?qū)⑦h(yuǎn)程檢測(cè)單元的各參數(shù)上傳給上位機(jī)。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)繪制鋰電池充放電曲線，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)待檢測(cè)完成后可生成測(cè)試報(bào)告供檢測(cè)人員查看。

該系統(tǒng)是以ST公司的Cortex?M3核微處理器STM32F103VCT6為下位機(jī)控制器，下位機(jī)負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元、電池充放電等控制，是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)通過(guò)下位機(jī)接收來(lái)自CAN總線解析的上位機(jī)指令，并采用閉環(huán)負(fù)反饋管理鋰電池充放電，負(fù)反饋控制方式能夠增加系統(tǒng)充放電精度與可靠性。以上操作處理完成之后，將發(fā)送控制模塊控制指令來(lái)完成具體的信號(hào)采集等功能。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 充放電控制模塊

鋰離子電池的檢測(cè)過(guò)程包括充電、放電、暫停放置環(huán)節(jié)，且會(huì)循環(huán)進(jìn)行。充電過(guò)程為先恒流再恒壓充電，放電過(guò)程為恒流放電。

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)含有8個(gè)檢測(cè)平臺(tái)，每個(gè)檢測(cè)平臺(tái)為充放電、數(shù)據(jù)采集電路的8個(gè)檢測(cè)單元。本系統(tǒng)將220 V交流電轉(zhuǎn)換為48 V直流電，再進(jìn)行降壓以滿足鋰離子電池充放電的電壓、電流要求。上位機(jī)發(fā)送的充電控制指令在STM32控制器中處理，處理完成之后在降壓控制器中進(jìn)行恒壓、恒流充電和放置的模式轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)的放電電路為根據(jù)流程STM32控制器，控制大功率耗能電阻實(shí)現(xiàn)恒流放電。在充放電的同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路采集的電壓、電流等信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，再利用PID算法調(diào)節(jié)反饋值與給定值間的誤差以實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流充放電控制。圖2為系統(tǒng)充放電控制圖。

圖中充電電路由3部分構(gòu)成，分別為TL494 PWM控制器、DC/DC電壓變換和MOS管驅(qū)動(dòng)電路。圖3為其原理圖。

TL494 PWM控制器進(jìn)行閉環(huán)控制負(fù)反饋，使得在片內(nèi)9，10兩個(gè)引腳上產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1，PWM2。其是隨著鋰離子電池內(nèi)部電壓電流而變化的，并被MOS管驅(qū)動(dòng)電路控制著導(dǎo)通與截止。MOS管驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)方式為單端隔離，圖中T2為隔離變壓器，PWM1，PWM2脈寬調(diào)制信號(hào)控制Q1～Q4交替導(dǎo)通與截止，Q5，Q6 MOS的導(dǎo)通與截止是由隔直變壓器T1二次側(cè)輸出的脈沖信號(hào)來(lái)控制的。DC/DC電壓變換電路是輸入DC 48 V電壓，并進(jìn)行逆變所產(chǎn)生的等幅正負(fù)方波電壓信號(hào)。方波交流電壓經(jīng)T2降壓之后通過(guò)D11，D12，L7，C16所構(gòu)成的整流濾波電路，最終變換為DC 0～5 V電壓。

2.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊用以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池的電壓、電流和溫度，并將結(jié)果傳遞給上位機(jī)以顯示鋰電池參數(shù)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)的監(jiān)控。

圖4為信號(hào)采集模塊流程圖，具體描述為采集鋰電池待測(cè)信號(hào)，接著經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)控制器。最終，傳遞到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。

1） 信號(hào)采樣與調(diào)理電路。因鋰電池充放電電流小，極易受到周圍噪聲的影響。因此，在鋰電池的負(fù)極串聯(lián)采樣電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)其電流信號(hào)的采集，并將得到的電壓進(jìn)行放大、調(diào)理。采集到的鋰電池的端電壓可直接作為采樣電壓。測(cè)量電池負(fù)端串聯(lián)的電阻兩端電壓，實(shí)際檢測(cè)電阻中最大電流為2.5 A，最大壓差為±0.05 V。正負(fù)分別代表充電與放電范圍，最小電流為0.05 A，壓差為±0.001 V。因此，本文采用兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的50倍放大，最大壓差也相應(yīng)放大50倍，然后再補(bǔ)償電壓，采樣電壓范圍滿足A/D轉(zhuǎn)化范圍。圖5為一級(jí)放大電路示意圖。

反向比例放大電路構(gòu)成二級(jí)放大電路，電路中需加入RC低通濾波電路以去除調(diào)理中的尖峰干擾。

2） A/D轉(zhuǎn)換電路。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中采集8塊鋰電池的電壓、電流信號(hào)共16路數(shù)據(jù)為一組信號(hào)。因此，選取的A/D轉(zhuǎn)換芯片為有16個(gè)模擬輸入接口的AD5590，其具有A/D，D/A轉(zhuǎn)化功能。該系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換功能負(fù)責(zé)將采樣到的充放電過(guò)程的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化;D/A轉(zhuǎn)換功能則負(fù)責(zé)充放電的電壓、電流輸出。AD5590通過(guò)模擬SPI接口實(shí)現(xiàn)與控制STM32的I/O接口的半雙工通信。

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的鋰離子電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖6為鋰電池充電實(shí)時(shí)曲線圖，其在上位機(jī)中對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行控制操作。從圖中可看出，最初的恒流充電電壓逐漸升高，升到4.2 V時(shí)充電模式變?yōu)楹銐撼潆?，電壓穩(wěn)定，電流逐漸變小。圖7所示為鋰離子電池充電過(guò)程上位機(jī)所記錄的充電數(shù)據(jù)，由此可得到充電過(guò)程中鋰離子電池電壓、電流以及容量的變化。圖8為鋰離子電池檢測(cè)結(jié)果，由圖可得，鋰離子電池的充電終止電壓以及放電終止電壓、充電電流、電池容量等。實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)容量為800 mA·h，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為容量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)容量的80%，測(cè)試結(jié)果顯示其實(shí)際容量為654 mA·h，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)容量的80%，檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的鋰離子電池檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)性能優(yōu)良，能按設(shè)定工步完成充放電控制與檢測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于STM32和PWM的鋰離子電池檢測(cè)系統(tǒng)，其采用雙層分布式結(jié)構(gòu)，即工控機(jī)與微處理器分別作為上位機(jī)與下位機(jī)。充放電技術(shù)為脈沖寬度調(diào)制，控制策略為閉環(huán)負(fù)反饋，底層為可擴(kuò)展的模塊化檢測(cè)平臺(tái)，從而根據(jù)要求設(shè)定程序以完成多種工步的檢測(cè)。文中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)了鋰電池的充放電、信號(hào)采集等控制模塊，最后運(yùn)用實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、操作方便、精度高的優(yōu)點(diǎn)，滿足鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)定與多工步檢測(cè)。

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