串联锂离子电池独立充电系统的研究与设计

李垠汛　冯锋

摘要：目前锂电池具有高储存能量密度、使用寿命长、额定电压高、高功率受载力强、自放电率低、重量轻、环保等优点，广泛应用于各类电子设备中，电动车等设备作为需要高能源密度的设备广泛采用锂离子电池作为动力源。针对目前高压锂电池包充电系统中存在安全程度低、智能化程度不足、不同品牌兼容性不强等问题，在充分研究IoT技术的基础上设计开发了关联ZigBee和RFID技术的身份验证验证核验系统，可以通过GSM实现远程监管、控制，具有较高的应用价值。

关键词：独立充电技术;STC8A8K;A/D转换

中图分类号：TP332.3      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0019-03

Abstract： At present， lithium batteries have a high storage energy density， long service life， high rated voltage， high power， strong self-discharge rate， lightweight， environmental protection and other advantages are widely used in all kinds of electronic equipment， electric vehicles and other equipment as the need for high energy density equipment widely used as a power source lithium-ion battery. In view of the present high-pressure lithium battery pack charging system in the low degree of safety， the intellectualized degree is insufficient，a different brand of compatibility is not strong， in the full study of IoT technology designed and developed on the basis of correlation ZigBee and RFID authentication validation check system， can realize remote monitoring and control through GSM， has higher application value.

Key words： independent charging technology; STC8A8K; A/D conversion

1 背景

伴隨国家电网的建设以及国家对清洁能源的推动，无论是电动汽车还是内嵌锂电池的设备都已经来到我们身边，但锂电池充电起火的事故也时常发生，这是因为目前的电动车充电采用的是多节锂电池串联充电的技术，由于每节锂电池在制造过程都存在细微差别，导致就算是同一批次生产的电池容量都会存在细微的差别，于是在放电和充电的过程中每节电池之间的会存在电压不同的情况，在几十次上百次的充放电后，电池之间的电压差会累加，导致某个电芯电压高，没充满的电池电压低，当充电器监测到总电压低于预设电压时依旧会继续往整个电池组进行充电，会减少电池寿命，发生安全隐患。

独立充电技术是通过嵌入式MCU进行智能控制，实时计算，监控每一节电芯，调整充电策略，实现每片电芯真正独立互不干扰充电，实现每一片电芯独立达到设定电压值，实现电芯电压平衡，延长使用寿命。

本文针对电动工具使用串联高压锂电池充电问题，在充分研究ZigBee和RFID技术的基础上，设计研发了通过ZigBee和RFID控制锂离子电池独立充电技术。本系统结合了传统充电器的优点，同时针对传统充电器无法对单一锂电池进行电压控制的缺点进行改进，解决串联电池充电会相互影响，充电电压不均衡的情况，并增加了IoT感知功能，通过远程监控，远程控制，增加了安全性和电池的寿命。实现了多功能的智能化充电系统。

2 锂离子电池独立充电和IoT融合系统的可行性分析

锂离子电池独立充电技术由多个步骤组成，首先利用电气隔离的多个AC/DC模块，并通过检测电路检测AC/DC模块当前健康值是否合格。然后对电池进行充电，需要运用隔离检测电路进行电芯电压检测，由算法判断电芯的健康状态，控制单元需要对充电电路进行隔离控制输出，计时器进行充电计时和保护电路设计，通过技术手段按需要的模式对电芯进行管理，并通过技术手段实时获取每个电芯的状态值，实时调整充电模式，保证电芯的健康状况。IoT技术是将万物互联，具有干扰小、高可靠、低功耗、低成本、组网形式灵活等优点，广泛运用于各个领域中。在锂离子电池独立充电系统中，需要解决传统充电系统无法远程监控，远程控制，身份识别等问题。运用ZigBee技术通过IEEE 802.15.4标准规范支持最多65535个网上节点和多种网上拓扑，低干扰，每个节点之间通讯距离标准规范是75米，覆盖距离小、干扰弱，实现多种不同数字设备相互间的无线组网，使它们与互联网通讯。每个ZigBee节点不仅可以进行监控，也可以作为数据的采集或是中转不同节点之间的数据，具有很强的灵活组网特性[1]。使用RFID技术进行用户身份识别，RFID可以识别加密无法复制的射频标签，使得用户具有唯一性。此外RFID的适用性强可以无视非金属介质进行连接通讯[2]。通过RFID与ZigBee进行用户识别和网络通讯，实现智能化的锂电池充电过程。

3 系统硬件设计

系统主要包括身份验证模块、检测模块、显示模块、主控模块。

1）身份验证模块主要是由RFID与ZigBee实现。RFID验证方式是通过实现对RFID标签进行加密数据写入，使用时将RFID标签靠近阅读器，阅读器通过Wiegand 技术提供的基本接口将解密后的卡号与内部预存储的数据进行比对，实现对用户身份的验证，此种方式适合快速验证。对没有携带RFID标签的情况，系统通过ZigBee进行联网与用户手机App进行通讯，用户只需要在第一次使用设备时对设备和手机App进行绑定，从而获取对设备的控制权。

2）检测模块，主要是实现对电压的隔离采集，但是MCU只有一个，A/D转换只有一路，各部分取样电阻串联在充电回路中，且相互关联（存在电位差），想检测它们必须先将它们互相隔开，再通过电子开关分时把它们的信号采集过来才能处理[3]。如图1所示，每个取样电阻采用了两个PS7141光耦隔离，如R7通过U3，U2组成的电子开关与其他取样电阻隔开，这样想知道哪两点的电压，就将相应的电子开关打开，这两点的电压差就被送到运放了[4]。值得注意的是，采到的信号被同时送到了两个运放，是为了测量不同的参数用，有增益的（U9B）是测量电流信号，倍数为1的（U9A）是测量电压信号。电路中通过控制不同光耦的通断就能把所有电池的电压、电流信号都采集到了，这也是这个设计的精华所在[5]。

3）显示模块采用JLX12864G-290-PN 型液晶模块，IC 采用矽创公司 ST7567，功能强大，稳定性好，可显示 5*8 点阵的英文、数字、符号 21 个8 行，使用SPI数字串行接口与MCU通讯，应用于人机交流面板，实现可视化操作[6]。

4）主控模块采用STC8A8K，是STC公司生产的低功耗，高性能的工业控制器，具有64K字节FLASH，8K字节RAM，支持单芯片仿真。主控负责身份验证模块、检测模块、显示模块之间的调度[7]。

4 系统程序实现

4.1 用户界面

本系统的工作流程是MCU通过串形数据口与身份识别模块通讯，当身份识别模块中的模块识别到标签信息或网络用户信息则与MCU中用户FLASH数据进行比对，符合要求则允许操作，进入操作界面，如图3。

当用户进入主界面，可以看到AD/DC模块的电压，当前系统内部温度，锂电池充电截止电压，充电限制事件，充电时间计数，当前的系统状态，需要充电电芯的电压。当需要更改充电截止电压、充电限制时间可以通过红色设置按钮进入对应的设置界面，如图4。

当设置完需要的参数或者使用默认参数進行充电，按下图3的三个实体物理按钮既可以开始对电池进行充电。

4.2 充电流程实现

系统硬件采用分时控制，在不充电时检测电路通过分时开启检测模块相应的光耦使电压进入MCU的ADC采样口进行采样并存入相应的位置。在充电的情况下采样电路需要先对要采样的电芯停止充电，并给予相应的缓和时间，使其电压恢复到真实值再对其采样。当某一电芯电压达到预定伐值系统将根据容量对其进行缓流充电，在该电芯充电结束后本系统的优势是可以单独对其与充电电路断开，其他在线电芯继续充电直至充满，如图5。

充电的安全控制，系统对老化的电芯进行了适配，当电芯老化自放电过高使其无论如何都达不到预设的电压时，内部的计时器会计时其的充电时间和缓流充电时间，当缓流充电时间和充电时间的比值大于一定值时会强制停止充电，防止充不满的情况[8]。

5 结束语

本文通过软硬件结合方式设计了一种串联锂离子电池独立充电系统，有效解决传统高压锂电池包充电系统中存在安全程度低、智能化程度不足、不同品牌兼容性不强等问题，在充分研究IoT技术的基础上设计开发了关联ZigBee和RFID技术的身份验证验证核验系统，可以通过GSM实现远程监管、控制，具有较高的应用价值。

参考文献：

[1] 严林波.基于ZigBee技术的无线通信模块研究[J].科学技术创新，2020（29）：88-89.

[2] 陈金萌，张佰顺，彭方成.基于RFID和单片机的考勤系统的设计[J].电子测试，2020（19）：14-17.

[3] 刘成中.高分辨率采集电路的设计[D].成都：电子科技大学，2020.

[4] 姚福强.基于运算放大器的电子技术综合性实验教学项目设计[J].教育教学论坛，2020（40）：387-388.

[5] 严丹丹，陈金鹰，李天敏.基于光耦的电压测量电路设计[J].通讯世界，2016（4）：152.

[6] 周琦.基于STM32F103C8T6单片机的LCD显示系统设计[J].科技风，2019（7）：54.

[7] 关大陆.基于STC8A8K64S4A12和AD590的远程测温系统[J].辽宁科技学院学报，2017，19（6）：1-2，88.

[8] 赵成文，李婷，陆欣，等.一种防过充的智能插座涓流充电检测算法[J].电子设计工程，2020，28（14）：167-170，174.

【通联编辑：谢媛媛】