基于單片機的磷酸鐵鋰電池組充放電電路設計

王宇野，莊錦濤

（閩南師范大物理與信息工程學院，福建漳州363000）

磷酸鐵鋰電池有體積小、重量輕、容量高、使用壽命長、無污染、無記憶效應等優(yōu)點，得到了廣泛應用[1].例如18650 和26650 等型號的磷酸鐵鋰電池組可以應用于充電寶，無線電臺，衛(wèi)星通訊定位儀，防盜報警器，鐵路通訊后備鋰電池，電動車等等.多個電池串聯(lián)和并聯(lián)形成的電池組，需要定期充放電，以使各個分電池保持均衡的特性.安全性高、充放電效果好的充放電電路對電池組充分發(fā)揮效能有很重要的意義，并可延長電池組的使用壽命[2-3].

1 主電路的方案設計

磷酸鐵鋰電池組的充放電電路要求能量可以雙向流動，但傳統(tǒng)的DC-DC 變換電路中能量通常只能單方向流動，這主要是因為開關管（如MOSFET，IGBT 等）只能處理單一方向上流過的能量，且主回路上裝有不可控的二極管，導致能量只能一個方向流通.如果制作兩個單向電能變換電路不但會讓電路過于笨重，而且增加了制作的成本，降低系統(tǒng)可靠性.雙向直流-直流(DC-DC)變換電路就在這樣的背景下產(chǎn)生了，通過適當?shù)目刂?，它可以讓電能在兩個方向都流動，相比直接制作兩個單向電能變換電路，即降低了成本，又提高了效率[4].雙向直流-直流變換電路之所以能讓電能在兩個方向上流動的原因是它用MOSFET開關管取代了二極管，讓電流能在兩個象限工作.

主電路選擇不隔離型雙向直流-直流變換電路，如圖1所示.

圖1 雙向直流-直流變換電路Fig.1 Bidirectional DC-DC conversion circuit

當電路工作于正向降壓方式時，SW作為主功率開關管，每個開關周期內(nèi)，當SW導通時，SR關斷，電源給電感L儲能，同時向負載供電；當開關管SW關斷時，SR導通，電感L釋放能量給負載供電.此時能量由輸入傳遞到輸出.

當電路工作于反向升壓方式時，SR作為主功率開關管，每個開關周期內(nèi)，當SR導通時，SW關斷，電感L儲能；當SR關斷時，SW導通，電感L向VS釋放能量，此時能量由輸出VO側傳遞到輸入VS側.

由于續(xù)流過程中電流流過MOSFET 開關管和與MOSFET 并聯(lián)的二極管，二極管和開關管是并聯(lián)工作的，所以續(xù)流過程中導通壓降低，損耗小，因此該電路也稱為同步升降壓電路.

2 系統(tǒng)硬件電路設計

以5節(jié)18650型磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成的電池組為例來設計硬件電路.電路能實現(xiàn)的功能有：

1)充電和放電工作模式的切換.

2)充電時，電流可在0.9～1.5 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流控制誤差小于2%，充滿后自動停止充電.

3)電路在充電和放電時的效率大于等于90%.

4)具有過壓保護和過放電保護功能.系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示，主要組成有：輸入繼電器、雙向直流-直流變換電路、STC12C5A60S2 單片機，驅動器、輔助電源、按鍵、顯示電路和電壓、電流檢測電路.

圖2 系統(tǒng)的總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the system

2.1 主控電路

選用STC12C5A60S2單片機作為控制電路的核心，它能兼容51指令系統(tǒng)，指令周期短，處理器運算速度高，且其內(nèi)部集成了10 位模數(shù)轉換(ADC)模塊和脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊，因此它完全能夠完成此次設計的數(shù)據(jù)處理任務[5].

2.2 MOSFET驅動電路

采用集成驅動芯片IR2104作為功率開關管的驅動電路，IR2104利用泵升電壓原理，不需要隔離的電源，使用方便.

2.3 輔助電源電路

系統(tǒng)中采用LM7805作為輔助電源，LM7805是一款常用的三端穩(wěn)壓器，這款穩(wěn)壓集成電路結構簡單應用廣泛.其內(nèi)部集成過載保護，結構成熟性能穩(wěn)定，能為本系統(tǒng)提供5 V輔助電源.

2.4 電流和電壓檢測電路

電壓電流檢測電路是基于STC12C5A60S2單片機內(nèi)部的高速A/D 轉換器，充分利用單片機內(nèi)部的硬件資源.數(shù)據(jù)采集器將電壓電流量經(jīng)分壓或放大后，送到單片機進行A/D轉換后變成數(shù)字量，隨后再對數(shù)字量進行處理.

由于運放ΝE5534 需要正負電源供電，故這里選用ICL7660 電源轉換芯片，將LM7805 輸出的5 V 正電源轉換為-5 V提供給ΝE5534.

電流檢測電路如圖3所示，電流傳感器采用20 mΩ的采樣電阻，電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R1.

圖3 電流檢測電路Fig.3 Current detection circuit

單片機只能檢測0～5 V的電壓，而主電路的兩端電壓遠大于5 V，因此這里就需要對這兩端的電壓進行分壓和濾波，并在A/D轉換器端口上加5.1 V的穩(wěn)壓管進行保護.

2.5 按鍵和顯示電路

電路功能上需要五個按鍵，單片機的P2 口中的五個接口分別與這五個獨立按鍵相接.按鍵的功能是：K1為充電/放電功能選擇；K2為啟動/停止；K3為設定充電停止電壓、保護電壓和放電電壓選擇；K4為增加充電電流；K5為減小充電電流.

顯示電路使用12864點陣液晶顯示模塊，在液晶上顯示六個內(nèi)容，充放電狀態(tài)，控制方式（恒壓控制還是恒流控制），輸入端電壓VS，電池端電壓VO，設定電流IS和實際電流IR.

3 軟件設計

3.1 主程序設計

主程序中主要是處理一些對時間要求不高的計算，如按鍵檢測，顯示以及軟件濾波等.除了硬件上的濾波電路外，程序設計上也加入了濾波，具體是將檢測多次的數(shù)據(jù)進行排序、去掉誤差大的值后再相加取平均值，這樣可以提高測量精度.主程序流程圖如圖4所示，首先輸入輸出端口初始化，片內(nèi)脈沖寬度調(diào)制電路、模數(shù)轉換電路初始化，允許中斷，然后對液晶顯示器進行清屏和初始化.隨后進入主循環(huán)程序，判斷是否有按鍵按下，然后根據(jù)按鍵修改參數(shù)，進行數(shù)字濾波，顯示測量的電壓電流和設定的參數(shù)，程序返回判斷是否有新的按鍵按下，如此反復.

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

3.2 閉環(huán)控制程序設計

為了實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，在ADC中斷程序中執(zhí)行PI算法控制，使得當電流、電壓出現(xiàn)波動時，ADC檢測到的數(shù)值的變化，并實時控制PWM 的輸出占空比，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制和電壓閉環(huán).ADC 中斷程序框圖如圖5所示，首先清除中斷標志和讀取A/D 數(shù)值，然后通過判斷更新標志寄存器判斷是否更新PWM 寬度.如果更新PWM 寬度，則判斷是電壓反饋還是電流反饋，執(zhí)行相應的程序計算更新后的PWM 寬度，更新標志寄存器清零，然后返回；如果不需要更新PWM寬度，則標志加1后返回.

圖5 A/D轉換器中斷程序流程圖Fig.5 A/D converter interrupt program flow chart

4 電路實驗

4.1 電流控制精度測試

在雙向直流-直流變換電路的輸出VO端接上5 節(jié)18650 串聯(lián)的電池組，在輸入端接入直流電源.設定變換電路為充電模式，設定電池組在達到21 V 時停止充電.將充電電流IO在0.9～1.5 A 范圍內(nèi)設定7 個值，然后測量并記錄電流實際值IR，計算電流控制精度（電流誤差為其中IR為實際測量的充電電流，IS為設定的充電電流）.電流實際值采用6位半精度的數(shù)字式萬用表測量，并保留3位小數(shù)，測量數(shù)據(jù)記錄在表1中.電流誤差最大值為0.692%，小于2%的設計要求.

表1電流控制精度測試表Tab.1 Current control accuracy test table

4.2 輸入電壓變化時的電流控制精度測試

下面測試輸入電壓變化時對充電電流的影響，設定充電電流IS=1 A，改變輸入電壓，測量充電電流.在電路處于充電工作模式時，調(diào)整數(shù)顯可調(diào)線性電源的輸出電壓，使電源電壓VS在25～31 V 之間變化時，測量實際充電電流IR的數(shù)值并記錄于表2中.（電流誤差為，其中IR和IS的意義同上）.誤差最大值為0.5%，達到2%的設計要求.

表2輸入電壓變化時的電流控制精度表Tab.2 Accuracy table of current control when input voltage changes

4.3 充電效率的測試

設定電路工作在充電模式，設定充電電流IS=1 A，保持輸入電壓VS=30 V，實現(xiàn)對電池組的恒流充電并測試充電電流和輸出電壓，并計算效率后記錄在表3中.（充電效率為其中VS為電源電壓，IS為電源電流，VO為電池組電壓，IR為實際充電電流）.充電時效率ηc=96.99%，滿足大于90%的設計要求.

表3充電效率測試數(shù)據(jù)表Tab.3 Charging efficiency test data sheet

4.4 放電功能和放電時效率的測試

首先在電路輸入端接入可變變阻器作為負載，設定電路為放電模式，并選擇恒壓供電模式，供電電壓為30V，啟動電路，電路對負載電阻進行的恒壓供電并限制電池組的放電電流.放電效率為其中VS為放電電阻兩端電壓，IS為放電電阻的電流，VO為電池組電壓，IR為實際放電電流.放電時的效率ηD=93.78%，滿足大于90%的設計要求.

表4放電效率測試數(shù)據(jù)表Tab.4 Discharge efficiency test data sheet

4.5 過壓保護測試

將電池組與滑動變阻器串聯(lián)，設定為充電模式，充電電流為1.0 A，將滑動變阻器電阻值調(diào)到最小，關閉充滿自動停止功能，開啟變換電路，逐漸增大電阻的阻值，輸出端電壓開始增加，當電壓達到24.5 V時，觸發(fā)過壓保護，此時關斷兩只開關管，斷開輸入繼電器，變換器處于過壓保護狀態(tài).

5 結論

所設計的充電器主電路采用雙向直流-直流變換電路，控制電路的核心采用單片機STC12C5A60S2，并應用單片機自帶A/D 轉換和PWM 模塊.實驗證明了電路在充電狀態(tài)時，主電路工作在降壓斬波狀態(tài)，并有較高的穩(wěn)流精度，同時具有充滿自動停止功能.在充放電電路為電池組放電時，主電路工作在升壓狀態(tài)，能輸出27～30 V 的穩(wěn)定電壓并具有限制放電電流的功能.綜合測試結果，所設計的磷酸鐵鋰充放電電路設計合理，功能齊全，能滿足對電池組的充放電，并具有效率高，可靠性高的特點.