基于STM32的锂离子电池充电系统研究

李治国 罗洋坤

摘  要： 锂离子电池是目前绿色环保电池之一，已广泛应用到很多领域，如交通动力电源，新能源储能动力电源，电力储能电源等。文中提出了对锂离子电池的充电和检测需要进行深入的研究，使用STM32作为基础的核心控制，利用PWM技术来实现电池的检测和细分控制。文中对基于STM32的锂离子电池充电系统进行了方案设计，通过实验对方案进行了验证，结果显示该方案具有操作简单的优势，响应速度满足设计要求，可靠性好，充电精度得到了提高。

关键词： 锂离子电池;STM32; PWM技术

中图分类号： TP273.5    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.028

本文著录格式：李治国，罗洋坤. 基于STM32的锂离子电池充电系统研究[J]. 软件，2019，40（6）：127129

【Abstract】： As one of the environment-friendly batteries， the Lithium-ion battery has been widely applied in many fields， including power supply for transport， new energy storage， electricity power storage， etc. In this paper， a further study on the charging system and testing of lithium-ion batteries is conducted using STM32 as the fundamental core control and PMW techniques to realize the testing and microstep control of the batteries. A project design of the lithium-ion battery charging system based on STM32 is proposed in this paper and verified by experiments. The re-sults show that the proposed project design is easy to operate with fast response speed and high reliability， which improves the charging precision.

【Key words】： Lithium-ion batteries; STM32; PWM techniques

0  引言

近年来，随着锂离子电池作为动力电池和辅助动力电池广泛使用在电动汽车、电动旅游观光车、电动公交大巴上等领域，因此锂离子电池在新能源汽车动力方向发挥着重要的作用。由于锂离子电池具有无记忆效应、循环寿命长、环境污染小等特点，其应用领域和性价比高[1]，作为新能汽车动力电池和辅助动力电池，因此对于锂离子电池的要求更高，需要达到电能的转换率高速稳定的要求，这是非常具有挑战性，而且需要不断深入研究[2-3]。文中提出了使用Cortex-M3微处理器[4]作为基础的核心控制，利用PWM技术来实现电池的检测和细分控制，通过脉冲宽度的调节实现充电模式的改善，引入反馈机制来实现有效控制，并且使用STM32可以实现有效的扩展，方便接入其它模块和元器件[5]。其中，运用STM32F407控制器实现对锂离子电池充放电参数的内部设定，由于对外不可见，因此具有良好的保密性和稳定性，其控制参数不容易被篡改，但是可以进行编程进行修改，因此方便了维护人员进行参数问题诊断和控制升级。同时STM32F407控制器设计了外围的保护电路，进一步保护了STM32F407控制器和锂离子电池设备，能够对过压过流等常见电路异常情况进行有效的保护。文中对基于STM32的锂离子电池充电系统进行了方案设计，通过实验对方案进行了验证，结果显示该方案具有操作简单的优势，并且响应度满足系统设计要求，可靠性好，充电精度得到了提高。

1  电池参数和方案设计

电池的性能参数主要包括电流、温度、电压三个关键参数[6]，通过这三种参数的综合评估来选取最佳的锂离子电池组合，而且在选取时一定要确保型号和性能一致，这样有利于可靠性和稳定性，因为安全性也是重要的指标之一。另外还有容量，但是由于容量不能直接测量只能通过标注参考其出厂容量值，只能通过放电时间和电流值的乘积进行理论计算[7-10]，在后续的评定中不能发挥重要作用，因此可以忽略该参数。

方案采用ST公司的STM32F407为控制核心单元，控制锂离子电池的充放电。通过反馈模式可以增强锂离子电池充放电的可靠性，并提高其精度，并且管理更加方便。STM32F407控制器通过运行控制程序来实现具体的信号采集功能和充放电控制。

2  充放电系统硬件设计

2.1  充放电控制模块

动力或辅助动力锂离子电池的行为主要包括闲置、充电、放电三种状态，并且在三种状态之间会不断切换。其中放电模式下主要呈现恒流的特点，充电模式下呈现先稳定电流在稳定电压的特点[11]。系统硬件通过电路模块将220V交流电转换为48V的直流电，然后根据单个电池组的要求需求将48V的直流电进行降压，从而满足单个电池组的充放电的電压、电流要求。STM32F407控制器通过运行程序实现充电、放电、闲置状态之间的切换和运行。

系统通过STM32F407控制器来控制大功率耗能电阻实现恒流放电过程，在整个负载充放电的过程中完成了数据的采集过程，主要包括实时采集电压和电流等信号，并进行反馈通过PID算法实现稳定的电压电流控制，从而保证充放电过程的稳定[12]。图1为STM32F407控制器充放电控制图。

其中充电电路由AC/DC电压变换电路和驱动电路组成，并由TL494 PWM控制器配合STM32F407进行控制[13]。

2.2  STM32锂离子电池信号采集模块

信号采集模块主要实现通过STM32F407进行控制采集锂离子电池的内部电压、电流和温度等情况，并将检测值保存到STM32F407的扩展内存中，方便以后进行读取和研究[14]。图2是信号采集模块的流程，其过程非常简单，通过采集锂离子电池的信号，将信号经过调节电路和A/D转换电路发送到控制中心STM32F407。

由于单组锂离子电池的充放电电流与车辆行驶有很大的关系，因此环境噪声对其干扰非常大。因此需要在锂离子电池负极串联采样电阻，从而实现对电流信号的实时采集，并进行放大和调节。而锂离子电池的两端电压可以作为采样电压。

嵌入式处理器作为锂离子电池充电系统的核心，具体实验的型号选取非常重要，而嵌入式处理器目前的型号也是非常多，目前市场上主要使用的很包括16位和32位。而STM32F407性价比非常高，性能稳定可靠，是属于32位系列，能够满足锂离子电池充电系统的功能需求。基于STM32F407芯片设计锂离子电池充电系统的核心控制电路。

基于STM32F407控制芯片设计的锂离子电池充电系统硬件控制器，可以充分利用该芯片在频率和功耗模式的优势。STM32F407有稳定卓越的时钟模式，在其启动时可以自由的选择系统时钟，在进行复位操作时，其内置的8MHz晶振可以作为CPU的内部时钟，也可以使用多个预比较器配置AHB的频率，其中包括APB2和APB1的配置，高速APB2可以设置为72MHz，低速APB1可以设置为36MHz，该模式完全满足静态动力或辅助动力锂离子电池充电系统的要求，其时钟频率较高，保证了整个锂离子电池充电系统的运行速度。STM32F407有3种可以使用的低功耗模式，例如在休眠模式下只有STM32F407的CPU停止了工作，但是可以通过中断/事件轻松将其唤醒;在停止模式下可以实现以最小功耗持续保存SRAM和寄存器的内部数据，可以通过外部中断线从停止模式将其轻松的唤醒;在待机模式下SRAM和寄存器的内部数据会被持续清理，当外部复位时可以退出待机模式。这三种模式可使锂离子电池充电系统在低功耗、启动时间、唤醒源之间达到性能最优。

3  系统测试

对本文所设计的锂离子电池系统进行实验验证。实验所测试的锂离子电池标准容量为800 mA.h，检测标准定为标准容量的85%，经过多次实验，测试结果平均值达到660 mA.h，因此通过实验分析达到了设计要求。通过实验测量，可以得到实际电阻电流为最大3.2 A，最大电压差是0.05 V，最小电流为0.04 A，最小电压差为0.002 V。在实验过程中采集了8组锂离子电池的电压和电流信号，总共得到了16路数据信号。因此，选取AD5590转换芯片，该A/D模块具有16个模拟输入接口满足实验需求。通过A/D转换模块可以将采样得到的充放电的电压和电流输出。STM32F407控制器通过SPI接口实现与AD5590转换芯片的通信和控制。

由实验可知，本文设计的基于STM32的动力锂离子电池充电系统性能良好，达到了实验预期效果。此外，实验也对于软件进行了测试。对于软件可以通过KEIL4进行调试。通过调试测试程序可以验证程序功能的完整性和鲁棒性，从而可以排除实验过程中遇到的硬件错误。在调试过程中通过该软件不仅可以观察到锂离子电池充电系统硬件控制器的各个寄存器的数据，还可定义变量的实时值。通过设定断点来观察锂离子电池充电系统硬件控制器执行到某一行程序的现象，也可以配合串口调试助手进行锂离子电池充电系统硬件控制器的程序调试。

4  结束语

文中提出了使用STM32作为基础的核心控制，利用PWM技术来实现电池的检测和细分控制，通过脉冲宽度的调节实现充电模式的改善，引入反馈机制来实现有效控制，并且使用STM32可以实现有效的扩展，方便接入其它模块和元器件。文中对基于STM32的动力锂离子电池充电系统进行了方案设计，通过实验对方案进行了验证，结果显示该方案具有操作简单的优势，并且响应速度满足系统设计要求，可靠性好，有效提高充电精度。

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