基于STM32的多通道鋰電池充放電測試系統(tǒng)

本文設計了一個擁有多通道的鋰電池充放電測試系統(tǒng)，以STM32F429為主控芯片，配合雙量程的電流采集、充放電控制、雙探測器的溫度檢測以及電壓檢測等電路，實現(xiàn)了同時對多個串聯(lián)動力鋰電池組的充放電測試及保護。在測試過程中，通過上位機程序，可對多個鋰電池組的充放電測試過程進行監(jiān)視，并將鋰電池充放電測試數(shù)據(jù)實時顯示。

1、系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)采用STMicroelectronics公司所生產(chǎn)的高性能、低功耗、高性價比的STM32F429作為整個系統(tǒng)的核心控制器，通過SPI(serialperipheralin-terface)總線以及SMBus(systemmanagementbus)總線分別與電流、溫度、電壓檢測模塊通信，通過普通IO引腳控制充放電回路的開斷，實現(xiàn)相應的保護功能，并且將采集到的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)USB模塊發(fā)送給上位機電腦，通過上位機實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析與處理，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。本系統(tǒng)擁有8個獨立監(jiān)控通道，每個通道能監(jiān)控1～8節(jié)鋰電池的充放電狀態(tài)，并且通道1和2、通道3和4、通道5和6、通道7和8還可兩兩組合，實現(xiàn)監(jiān)控9～16節(jié)串聯(lián)的鋰電池組。

系統(tǒng)的硬件設計主要包括鋰電池電壓檢測模塊設計、溫度檢測模塊設計、電流檢測模塊設計以及充放電保護功能模塊設計。

1.1、電流檢測及充放電控制硬件設計

電流是鋰電池組充放電狀態(tài)的重要參數(shù)之一，是直接判斷是否出現(xiàn)過流的依據(jù)，同時也是安時積分法估算充放電總量的重要參數(shù)，所以電流檢測精度直接影響到充放電量的估算以及充放電數(shù)據(jù)的處理和分析。因為便攜式電動工具所用的鋰電池包容量、型號以及性能上的差異，系統(tǒng)中的電流檢測模塊必須具有通用性。本系統(tǒng)采用雙量程的電流檢測方案設計，這樣既保證了在小電流和大電流情況下的檢測精度，也提高了系統(tǒng)檢測電流大小的能力?？紤]到閉環(huán)霍爾電流傳感器具有測量動態(tài)范圍寬、測量精度高、響應速度快和隔離測量的特點，所以本系統(tǒng)各個通道均采用一個閉環(huán)電流霍爾傳感器MMI-200B來實現(xiàn)充放電電流的采集。鋰電池充放電電流Ip為原邊電流從MMI-200B傳感器通孔輸入，副邊輸出電流/out與ID的關系為：

n&mes;Ia=K&mes;/Ion.(1)

式中，K為比例系數(shù)，其大小與霍爾傳感器型號有關，MMI-200B中K=1000;n為原邊線圈的匝數(shù)，本系統(tǒng)n=2。

通過測量采樣電阻上的電壓，即可測得充放電電流Ip的大小。系統(tǒng)為了保證在大小電流情況下的檢測精度，通過主控芯片STM32的IO引腳的高低電平來控制三極管的通斷，從而控制繼電器G6K-2P的開關狀態(tài)選擇阻值不同的采樣電阻，再經(jīng)過具有兩路差分輸入的高精度、24位ADC芯片ADS1247進行AD轉(zhuǎn)換，最后主控芯片通過SPI總線讀取各個電流檢測模塊的ADC芯片的轉(zhuǎn)換值，計算出各個通道的充放電電流大小。

鋰電池充放電控制結構如圖2所示?？紤]到若采用充放電負極分離控制電路，鋰電池組正極直接與充電器或負載正極相連，當鋰電池組節(jié)數(shù)較多，總體電壓較大時，存在損壞充電器或負載的風險。本系統(tǒng)采用充放電正極分離控制電路，即電池組、充電器和負載的負極保持連接，鋰電池正極通過兩路PMOS開關電路分別與充電器和負載正極相連。充放電控制電路結構基本一致，充電控制電路圖如圖3所示。

1.2、電壓檢測硬件設計

電壓是鋰電池組充放電狀態(tài)的重要參數(shù)之一，是檢測電池是否損壞最直觀的參數(shù)，只有檢測到足夠精確的電壓值，才能判斷出充放電過程中電池是否過度充電或放電，及時啟動系統(tǒng)保護功能，停止對鋰電池組的充電或放電。本系統(tǒng)選用凌特公司的多節(jié)電池組監(jiān)控芯片LTC6804-1，可測量多達12節(jié)串聯(lián)電池的電壓，同時還可以通過菊花鏈把多個LTC6804器件串接起來，實現(xiàn)測量12節(jié)以上串聯(lián)電池電壓的功能。

本系統(tǒng)共使用8個LTC6804-1電壓檢測模塊，每個電壓檢測模塊負責一個通道最多8節(jié)電池電壓的測量，其中，通道1與通道2、通道3與通道4、通道5與通道6、通道7與通道8的電壓檢測模塊均采用菊花鏈級聯(lián)連接，因此，在通道組合情況下，可以測量多達16節(jié)電池電壓，電壓檢測結構如圖4所示。

1.3、溫度檢測硬件設計

鋰電池對溫度范圍的要求很高，通常情況下，其理想的工作溫度范圍在20℃～35℃，當溫度超過40℃后會影響電池的使用壽命，當溫度低于0‘C會影響電池的充放電性能，當鋰電池在過充階段和過放階段時，其溫度也會明顯上升。因此，實時監(jiān)控充放電過程中電池溫度才能更好地選擇合適的充放電策略，更加及時地保護鋰電池。

系統(tǒng)采用一種雙探測器鋰電池表面溫度檢測方法，來確保鋰電池溫度在發(fā)生突變情況下，溫度檢測能夠及時響應，并且兼顧較高的溫度檢測精度，防止在極端測試條件下?lián)p壞鋰電池。檢測硬件包括PT1000鉑熱電阻溫度傳感器、熱敏電阻轉(zhuǎn)換模塊、MLX90614紅外溫度傳感器、SMBus緩沖模塊以及主控芯片STM32。熱敏電阻溫度檢測可以獲取較高的溫度檢測精度，但其溫度檢測需要電池與熱電雙探測器溫度檢測結構如圖5所示。

2、系統(tǒng)的軟件設計

2.1、下位機軟件設計

本系統(tǒng)下位機軟件流程如圖6所示。下位機共開啟了兩處中斷功能，一是串口接收中斷，其目的是將上位機發(fā)送的命令存儲在一個環(huán)形數(shù)組中;二是定時器中斷，定時器每隔50ms觸發(fā)一次中斷，并將tt置1，程序通過不斷查詢tt值來決定是否進行采樣。系統(tǒng)在第一次運行時會進行系統(tǒng)的初始化，并完成與上位機的通信握手，隨后在無限循環(huán)中運行。在整個循環(huán)過程中，下位機會不斷解析環(huán)形數(shù)組里面的數(shù)據(jù)即上位機所發(fā)送命令，一旦有定義好的命令被解析出來后，就會進行相對應的操作，如配置通道1的充放電狀態(tài)、通道1的保護參數(shù)，開啟或關閉通道1采樣等等。隨后，通過判斷變量tt值是否為1，從而選擇是否進入采樣、保護功能函數(shù)并將tt清零，count值加1，等待定時器刷新tt值進行下一次采樣。當count值等于mulTIple值時，系統(tǒng)就會將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。mulTIple值由上位機發(fā)送特定的命令修改，通過改變multiple的值，即可控制下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔，時間為50ms的multiple倍，上位機將下位機傳送的數(shù)據(jù)保存并實時顯示出來。

2.2、上位機軟件設計

系統(tǒng)上位機軟件是基于PyQt庫設計的，運行軟件后，系統(tǒng)將處于設備查找狀態(tài)，等待下位機響應后，系統(tǒng)進入主界面進行鋰電池充放電測試，主界面如圖7所示，能實時顯示各節(jié)電池單體電壓、通道總電壓、通道電流通道溫度、充放電電量、保護參數(shù)以及測試時間等。

3、測試結果

在實際測試過程中，使用BOSCH18V5.0Ah的鋰電池包作為充放電電池，大功率電子負載作為放電負載，通過不斷改變電子負載放電電流，分別對8個通道進行測試。其中，通道3的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

驗證系統(tǒng)的檢測精度達到要求后，利用BOSCH專用充電底座對鋰電池進行充電，系統(tǒng)監(jiān)控整個充電過程并自動繪制充電曲線如圖8所示。從圖8(a)可知，BOSCH充電器選擇的充電階段大致分為兩個階段，在電池充電的第一階段，電池溫度是持續(xù)上升的;第二階段，由于充電電流不斷減小，溫度緩緩減低。從圖8(b)可知，充電結束時，充電電量為4.95Ah，與電池容量5Ah相符;電池電壓隨著充電的進行不斷上升。從圖8(c)可知，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r準確監(jiān)視電池的狀態(tài)，電池組能夠可靠、安全地工作。

4、結束語

本文提出和設計了一種基于STM32的多通道鋰電池充放電測試系統(tǒng)，能夠準確監(jiān)視和記錄鋰電池組的狀態(tài)，同時提供過充、過放、過溫等保護。系統(tǒng)的電流檢測設計采用雙量程的設計方案，實現(xiàn)了小電流以及大電流檢測的高精度，溫度檢測采用雙探測器相結合的檢測方案，獲得了準確的溫度采集以及對過溫或低溫的快速保護。本系統(tǒng)具有測試通道多、集成度高、精度高、量程大、反應快、抗干擾等優(yōu)點。該設計的不足之處在于系統(tǒng)雖然支持組合模式，但最多也只能測試16節(jié)電池組的充放電。