基于STM32的通信用后备锂电池组管理系统的研究与设计

李国丽，张永杰

(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

0 引言

锂电池具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、高低温适应性强、使用寿命长、对环境无污染、体积小且外形可塑性强等显著优点，这些优点使锂电池更适合作为放置于无人值守野外的通信备用电源。但由于锂电池的固有特点，其在使用过程中需要进行监控以提高其使用的安全性并延长其使用寿命。以锂电池组作后备电源的通讯基站组成框图如图1所示[1]，整个系统由整流模块、电池组模块、电池管理系统模块、负载四个模块组成。其中电池组模块由一个或多个单体锂离子电池组合而成，电池管理系统(BMS)作为整个系统最重要的一个模块，既可内置于电池组模块也可外置于电池组模块，其决定着整个锂电池组的使用安全性和使用效果。

1 系统的硬件设计

1.1 电池管理系统的主要功能

本电池管理系统的功能框图如图2所示。根据通信设备对备用电源工作电压范围要与采用铅酸蓄电池的电源系统兼容的要求，本锂电池管理系统适用于电池组标称电压 48 V，工作电压范围40 V～58 V最高16串的锂电池组。锂电池的过压/欠压参数值可以根据电池组的串数在软件中进行设置。系统主要具有以下功能:① 过充保护功能，当总压或单体电池电压高于设定值时，禁止充电，但可以正常放电;② 过放保护功能，当总压或单体电池电压低于设定值时，禁止放电，但可以正常充电;③ 放电过流保护功能，当放电电流大于允许最大值时，断开放电输出，并报警;④ 短路保护，当发生短路时，要能够迅速关断开关电路;⑤ 温度保护，具有环境高低温下禁止充电放电功能;⑥ 均衡功能，单体电池的电压偏差大于30 mv，小于800 mv，均衡开始电压可根据要求在通过软件设置，均衡电流为30～200 mA;⑦ 电量显示功能，4个LED指示灯逐级显示电池组的电量衰减或增加情况;⑧ 状态指示功能，分别用两个LED指示灯指示电池组状态，一个指示充放电状态，一个用来指示是否有故障;⑨ 通信功能，RS485上联接口能读到剩余容量、电池状态、环境状态、失效警告等信息。

图1 锂电池后备电源系统组成框图

1.2 硬件设计[2-3]

系统对电池组信号的采样和对电池组充放电控制都通过STM32来完成。电池电压采样通过外扩的4个双四选一的多路模拟开关对所有单节电池逐一进行切换，然后通过差分电路将电压信号下压到AD电压范围内送到STM32的AD口。STM32根据采集到的电压值，通过软件判断电池是否处于过压或欠压状态。若欠压，PB0发出高电平信号，光耦U1导通，把场管F1栅极电位拉低，从而F1关断禁止放电，系统进入欠压保护状。电池过压保护与欠压保护类似，系统充放电开关电路如图3所示。

图2 电池管理系统功能框图

系统电流采样如图4所示，系统通过一个4运算放大器LM148来完成电流采样，其中电阻R00为电流采样电阻。由于要对电流完成放电和充电双向电流采样以进行电池剩余容量(SOC)的估算，而STM32只能对正电压信号进行采样，所以前端放大电路U501A首先将采样电阻上电压放大，若为正电压，U501A输出端电压经U501D跟随后由STM32的 ADC12_IN1进行采样;若 U501A输出端为负电压，则通过 U501B反向后经U501C跟随一次后再由ADC12_IN0完成采样。这样通过将采样电阻上的双向电压信号就转化为单一方向的正电压信号，从而完成充放电双向电流的采样。

系统的过流和短路保护电路如图5所示，系统对过流和短路具有硬件和软件的双重保护，其中纯硬件保护由SEKIO公司生产的锂电池专用管理单芯片 S－8261进行。当S－8261检测到检流电阻R00两端超过150 mv的电压时，芯片的DO引脚发出低电平信号，使三极管Q3导通，进而使光耦U1导通，从而将放电场管F1的栅极电位拉低关断场管F1以进行过流短路的及时保护。STM32根据电流采样值进行软件方面判断系统是否过流短路，当过流短路发生时，PB0发出高电平信号使放电场管锁定在关断状态，同时发出报警信号，上位机可通过RS485通信查询到系统发出的报警，以进行最后的人工排除故障。系统单体电池均衡控制电路如图6所示，图示为第9节电池均衡控制电路，B8+和B9+分别接在第8节电池的正端和第9节电池的正端，STM32根据采集到的电池电压值，当判断单体电池的电压偏差大于30 mv，小于800 mv时，便通过PC9发出高电平信号打开场管M326，系统通过电阻R342进行电池电压的均衡，其中发光二极管L9用来指示均衡是否开启。

2 系统软件设计

图7所示为系统的软件结构框图，图8所示为软件流程图。

整个系统由系统驱动、数据采集和控制模块三部分组成。驱动部分主要完成通信、I/O口、数据存储驱动的初始化;数据处理与处理部分主要完成电压、电流、温度的采样和采样数据的存储;控制模块主要完成电池剩余容量的估算(SOC)、充放电控制、均衡控制、状态指示、报警、人机显示等功能。

3 结束语

系统通过和江苏省富朗特公司生产的锂电池组结合测试，能够实现通信设备后备锂电池管理系统所应有的功能，能够对锂电池组就行有效的保护。存在的问题本系统相比通过锂电池专用管理芯片以级联方式组成的管理系统正常功耗有点偏高，但本系统通过充分利用STM32上丰富的片上资源避免了额外的电路扩展，且STM32单片机相对目前市场上的动则几十元钱的锂电池专用管理芯片价格低廉，所以系统成本比用专用管理芯片组成的系统具有相当的优势。通过系统的电路结构优化以及随着锂电池成本的降低，本文所研发的系统将有很高的应用价值。

[1]中国通信标准化协会.通信标准类技术报告[S].2009.

[2]王明渝，俞静.电池组均衡充电电路研究[J].电气应用，2007，26(8):46－47.

[3]张军元，电动自行车锂电池充放电保护方案[J].电子产品世界，2007，15(6):140－141.