基于STM32的锂电池充放电系统的研究与设计

魏丽君,李小霞

(湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

0 引言

信息时代的来临使得便携式手持电子设备得到了越来越广泛的应用，电子阅读、网页浏览、网上办公、娱乐影音等极大丰富了人们的生活，与此同时，电子产品的电池续航能力得到了越来越多的关注，锂离子电池作为便携式手持电子设备可循环充放电的首选材料，在使用过程中依然可能存在过充、过放、过流充电以及充电温度过高从而影响电池的使用效率，甚至还出现过充放电过程中电池爆炸的安全事故，因此，设计一款实时监控电池充放电状态参数的电池管理系统迫在眉睫。

当前关于锂离子电池充放电管理系统的研究主要体现在电池荷电状态估算以及算法的研究上面，华中科技大学、上海交通大学、湖南大学很多学者都对此进行了比较系统的研究，但是对锂离子电池充放电路径管理方面设计不够全面，在实时监测上精度还有待提高。

基于此，本文采用STM32硬件平台，开发设计了一款锂电池充放电管理系统，实现了对锂电池充放电路径管理、对充放电的参数及电池的状态实现了实时准确监测，准确度高达98.4%，DC-DC输出电压稳定在5 V±0.002 V范围内，当负载在200 Ω到1 000 Ω范围内时，输出电压稳定在+5 V，小于100 Ω后，输出电压会有适度下降，输出电压稳定，极大提高了电池的使用效率。

1 系统整体设计

根据设计需求，该系统的硬件设计主要包含电池保护电路、电源模块以及显示模块、电池充放电路径管理模块、电池状态信息采集模块等。初步设计中，提出了主要参考芯片：其中电量计芯片拟采用BQ27410芯片，充放电路径管理模块拟采用BQ24230芯片实现，而升压模块拟采用LMR62421芯片，控制核心，采用当前主流的ARM系列STM32控制器，显示模块则采用LCD12864实现，具体的设计框图如图1所示。在设计过程中，需要对设计方案进行充分的比较，在选择处理器时，主要考虑是选择51系列的单片机和STM32，经过对比，51系统单片机虽然价格便宜、操作简单，但是其性能较差，不能满足系统的稳定性，而STM32性价比高，控制稳定性好，而且对于后续系统的升级可以起到很好的准备作用。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计

2.1 锂离子电池保护电路设计

锂离子电池的充放电必须设计良好的充放电保护电路，确保电路在应用过程中具有很好的容错能力，很多情况下，如果没有保护电路，就很有可能在充放电过程中造成电池的损坏，因此，设计电池保护电路必不可少，本设计采用RT9545芯片实现，电路原理图如图2所示。

图2 RT9545保护电路

其工作原理分析如下：首先设置好充电电压阀值和放电电压阀值，Q1和Q2相当保护开关。充电电压高于阀值电压时，VD1=0，VD4=1，此时COUT=0，Q2截止，防止电池过充；放电电压低于放电阀值电压时， VD2=0，VD=0， DOUT=0， Q1截止；此外当电流过大时，内部短路电路检测模块将会拉低至低电平， COUT=0，此时Q2截止，起到过流保护作用。在锂离子电池充放电过程中，只要出现电流过大的情况，Q2则会自动截止，电路停止工作。

2.2 锂电池充放电路径管理电路设计

电池充放电路径管理采用BQ24230芯片实现，该芯片具有功率动态管理和动态电源路径管理功能。功率动态管理可限制充电电流的大小，可防止过电流充电对电池的影响，动态电源路径管理可对输入电流进行可编程实现，具有过压保护功能，而且可以根据编程输入的电压电流值，预设充电完成时间等，此外，该芯片还具有热敏电阻输入，在充放电过程中可很好的实现高温保护，并且在温度升高后，可自动调整降低充电电流。

该电路的原理图如图3所示。

图3 锂电池充放电路径管理

2.3 锂离子电池状态信息采集模块

锂离子电池状态信息采集主要采集对象包含电池剩余电量、电池充放电的电压、电流以及电池的实用老化状态等等，在此设计中，信息采集采用BQ27410芯片实现，具体的电路设计如图4所示。

该芯片内部集成LDO，方便电池直接给芯片供电，支持充电中断方式的配置，与系统采用IIC协议进行信息通讯，方便可靠。可实现对电池剩余电量、电流、电压等相关信息的监测与查询，此外，对充电状态以及老化程度等也可以进行实时监控。

图4 锂电池状态信息采集

此模块是硬件设计的核心部分，电池剩余电量、电流、电压等相关信息的监测与查询和充电状态及老化程度都是系统需要完成的核心指标，因此在设计中应对方案设计进行比较，BQ27410芯片驱动较简单，测量的参数满足系统要求，性价比高。

2.4 DC-DC升压模块电路设计

DC-DC升压模块电路设计是系统设计的重要一环，其主要的设计参数主要是将2.7 V的电压升到5.5 V，而且要保持稳定，后面会对DC-DC升压模块电路进行专门的测试。系统设计电源模块采用LMR62421芯片实现，构成DC-DC电路结构。其具体的原理图如图5所示。

图5 LMR62421升压模块电路

该电路的输入电压可从2.7 V到5.5 V，输出可达24 V，输出电流可达2A，开关频率高，其升压电路的工作原理就是通过恒定的开关频率和调节占空比来控制内部NMOS的关断来实现。可按照芯片的典型电路，根据实际设计的需要调节电容的值，从而得到电路需要的输出电压。

2.5 显示模块电路设计

为了能够对采集到的信息进行可视化管理，系统比较了LCD液晶显示模块和数码管显示模块，根据系统需求，选择采用12864LCD液晶显示器进行显示，液晶显示器驱动简单，主要显示信息包含电池的剩余电量、充放电的电压、电流信息，以及电池的老化状态等等，液晶显示的结果可以直接反应系统的整个运行状态，为后续的操作提供基础。由于驱动电路很常见，在此不再单独阐述液晶显示模块的电路图。

3 软件设计

根据硬件模块设计，软件设计也包括锂电池状态信息采集模块、显示与信号处理模块，信息处理和传递通过STM32单片机的I2C总线进行传递。其主函数流程开始后首先进行系统的初始化，然后监测电池是否接入，接入后一直采集电池的信息状态，包括充电状态、剩余电量、电池电流、电池电压和老化程度等信息，然后通过IIC协议进行通讯将信号传送给控制系统，最后将测试的结果现在液晶屏上。

另外一个大的部分主要是上位机的测试软件流程，上位机测试软件流程主要为了满足客户的相关需求，要求进行数据可查询，因此在设计工作中，需要根据客户的需求进行数据库系统的设计和建立。一般情况下，可查询数据分15天或者100个测试数据组进行记录。

系统软件框图如图6所示。

图6 软件流程图

4 实验测试

为了验证系统设计的可行性和正确性，需要对设计的各个部分进行单元调试，并在此基础上进行系统的联调，直至满足设计需求。

4.1 充放电管理模块测试

充放电管理模块的测试在系统中属于第一要务，对BQ24230充放电管理模块的测试分两种情况进行，其一是有USB进行供电时，此时电源指示灯点亮，充电指示灯闪烁，直至充满，充满后保持，剩余电流继续给电池充电；另外一种情况是没有USB供电时，此时充电指示灯、电源指示灯均熄灭，电池给整个系统进行供电。其具体的测试图如图7所示。

图7 充电电流的测试图

其中I(PRECHG)=70mA，恒流充电电压为3.2 V，IO(CHG)=364mA，达到4.07 V后电流下降。

电池本身存在内阻，电池在充放电时所测量的电压值会略高于或者略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图8所示。放电时电池的端电压与剩余容量的关系图如图9所示。

图8 充电时电池电压与剩余容量的关系图

图9 放电时电池电压与剩余容量的关系图

经过测试，电池充电时电池电压与剩余容量呈现缓慢下降趋势，充电电池电压在3 800 mV以上时，剩余电量大于70%以上，而且下降过程缓慢，而充电电池电压在3 600 mV以下时，剩余电量会迅速下降到25%以下；从放电时电池电压与剩余容量的关系图同样可以分析出，当放电电池电压在3 800 mV以上时，剩余电量维持在70%以上，而当放电电池电压下降到3 600 mV以下时，剩余电量会迅速下降到30%左右。

在测试过程中，根据欧姆定律，可以简单得计算得到电池的阻抗和开路电压，因为电池的端电压可以测出，电池内阻也可以直接测得，基于开路电压测量(OCV)曲线的电池剩余容量关系测试关系曲线图如图10所示。

图10 电池的OCV曲线

从电池的OCV曲线图可以看出，开路电压同样在3 800 mV以上时，剩余电量会保持在70%甚至80%以上，一旦开路电压下降到3 600 mV以下，剩余容量会迅速下降，当开路电压到3 200 mV时，剩余容量接近于0。

4.2 DC-DC升压模块测试

在设计部分，DC-DC的设计参数要求是从2.7 V电压升压至5.5 V，根据系统的要求，对DC-DC升压模块进行测试，整个测试过程分两个部分进行，其一是输出电压的稳定性测试，其二是带负载能力测试，根据要求，完成了两个部分的测试，在测试输出电压的稳定性时，对输入电压为3.5 V、3.7 V、3.8 V、3.9 V、4.2 V的情况均进行了测试，其测试的结果如表1和图11所示。

表1 输出电压稳定性测试

折线图如图12所示所示。

图11 升压模块输出电压测试图

从输出电压测试的稳定性测试结果可以得出，DC-DC升压模块稳定度高，输出电压基本维持在5 V±0.002 V范围内。

带负载能力测试主要对系统负载为1 000 Ω、500 Ω、200 Ω、100 Ω、80 Ω、60 Ω等几种常见的应用负载进行测试，测试后的输出电压记录在表2中，其折线图如图12所示。

表2 负载能力测试

图12 升压模块负载能力测试图

从带负载能力测试结果可以得出，该电池所带负载大于200 Ω到1 000 Ω，输出电压非稳定在+5 V，小于100 Ω后，输出电压会有适度下降，到达60 Ω后，输出电压为4.23 V，其后则迅速下降。由此可以在应用时，对电池所带的负载做出合理的参数说明，以使得电池应用达到最理想的结果。

5 结束语

本论文从当前锂离子电池充放电管理系统存在的相关问题出发，总结了设计上存在的问题，在此基础上，基于STM32嵌入式开发平台，分析了系统的总体需求参数，在对系统进行参数分析的基础上，对各硬件模块进行了精心设计，此外结合软件设计，完成了一款锂电池充放电管理系统的研究与设计，设计完成后，进行了充电电流测试、充电时电池的端电压与剩余容量的测试、输出电压测试和负载能力测试和设备的长期稳定性试验等，经过试验测试，该系统实现了对锂电池充放电路径管理、对充放电的参数及电池的状态实现了实时准确监测，输出电压稳定，极大提高了电池的使用效率。带负载的能力达到设计要求，该设计成果已经应用在企业项目中。