基于STM單片機的智能鋰電池組平衡充電器設計

關健生

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門361024）

由于組成鋰電池組的單體電池內部特性無法做到一致，人們在多次使用電池組后，單體電池的差異性就體現出來，如容量會減小。通常情況下鋰電池組充電時采用串聯充電的方式，這樣就會存在電池組中容量最小的單體電池會最先達到最大電壓4．2 V，而其余的單體電池則沒有。此時電池組電荷容量也還未最大化，電池組總電壓未飽和，繼續充電則會導致容量較小的單體電池出現過度充電現象，鋰電池化學成分會遭到破壞，減少使用壽命，有可能會出現爆炸現象。針對上述問題，本文設計了一款基于STC單片機的鋰電池組智能平衡充電器，該充電器能夠對鋰聚合物電池組的充電、斷電和報警進行控制，具有智能化、操作方便等特點。

1 設計思路

本系統主要包括電源模塊、STM單片機主控板、差分運算電路、平衡充電電路和電流采樣模塊等。圖1是智能平衡充電器的總體結構框圖。

在充電過程中，該充電器通過并聯在每個單體電池上的差分電路，檢測單體電池的電壓，再根據單體電池電壓來決定每個平衡電路的工作狀態。先進行恒流充電，當某個單體電壓達到最大值時，該平衡電路開啟，該單體電池立即進入恒壓充電狀態，起到保護作用和不影響其余單體電池繼續充電。所有單體電池達到最大電壓時，整體電池組進行恒壓充電，實現電池組儲能最大化。

圖1 系統總體結構框圖

當單體電池電壓均達到4．2 V，所有的平衡電路斷開，整個電池組進入恒壓充電，保持充電電壓為4．2 V，此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至0．1 A時，并持續再恒壓充電10 min后，切斷供電電源，并發出聲音報警，表示充電結束。由此可將充電過程劃分為快充、滿充、斷電和報警四個階段。

2 硬件設計

本系統由LM324運放和電阻組成差分運算電路，共有8路，對電池組的各個單體電池電壓進行前期調理，然后送入單片機AD進行電壓值測量，該電壓值既是電池安全電壓和控制平衡的保證，又是恒壓充電階段的閉環反饋量。平衡控制電路由三極管和功率電阻串聯組成，由單片機控制三極管開斷，進而控制平衡控制電路工作。接入充電的電池組中每個單體電池都有與之并聯的平衡控制電路。充電電路由MOS管、電感和BUCK、BOOST電路組成，由單片機發出PWM脈寬信號來控制其輸出功率。

2．1 差分運算電路

假設該單體電池為電池組中的第N芯電池，那么在它之前還串聯了N－1個單體電池，設每個單體電池正負極之間的電壓都為UB，那么可以得出其實際電壓。

2．2 控制平衡電路設計

鋰電池組接入系統充電時，各個單體電池都有與之并聯的控制平衡電路。電路由一個達林頓管與2 W的功率電阻串聯組成，達林頓管再與一個數字晶體管連接，由數字晶體管間接控制達林頓管的開斷。控制過程為：當單片機的AD掃描測量該單體電池的電壓達到4．2 V時，說明不能再對其繼續進行恒流充電，否則會造成過度充電，此時單片機控制數字晶體管導通達林頓管，使該路的電阻進行分流工作，同時不影響其他單體電池繼續充電，也不會造成充電過程中斷。

本設計的系統共有8路控制平衡電路，它們按順序串聯在一起。在電池組的實際充電過程中，若發現其中一個單體電池的電壓明顯比其它單體電池的電壓低，為了縮短充電時間，開啟其余單體電池的平衡電路，該單體電池不開啟平衡電路，設置較小的電流進行充電。其余的單體電池由于分流電阻的分流作用，其真實充電電流很小，幾乎不充電。充電進行到該單體電池的電壓與其余電池電壓接近時，斷開所有平衡電路，電池組進行恒流充電。如果充電開始時單體電池的電壓幾乎在同一水平上，那么所有電池都進行恒流充電，當某單體電壓達到最大電壓時，該單體電池就先進入平衡充電狀態，當所有單體電池均達到最大電壓時，斷開所有平衡電路開關，電池組進行恒壓充電，當充電電流小于50 mA時，認為充電完成。

2．3 BUCK和BOOST電路

單片機的PWM口輸出為TTL5 V電平信號，驅動BUCK和BOOST電路的PWM需要12 V的電平，所以設計上通過電平轉換電路及使能控制端，與非門用于PWM信號和使能的配合，達到控制目的，同時隔離12 V電源的噪聲對單片機IO口的影響。

要使用BOOST升壓電路，EN2輸入高電平，使能PWM＿BOOST信號。EN1輸入低電平，使BUCK降壓電路的MOS管全導通，相當于BUCK降壓電路不進行降壓工作。PWM信號經過兩個與非門，輸出信號與原信號同相位，串聯2 kΩ電阻后，作為比較器LM393的同相端輸入信號。比較器的反相端通過兩個電阻分壓，設置為2．5 V，即為門限電壓。LM393的輸出為開路，所以接上拉電阻6．8 kΩ到12 V電源，至此就實現了BOOST電路的PWM波電平轉換和使能控制。

BUCK和BOOST電路中由三級管8050和8550組成互補推挽，作為MOS管驅動電路，驅動信號為上級LM393輸出的PWM脈寬波，三極管射極輸出功率穩定的波形。

研究開關電路，有兩條基本定理：

（1）穩態條件下，電路中電感兩端的電壓在一個開關周期內的平均值為0。

（2）穩態條件下，電路中電容電流在一個開關周期內的平均值也為0。

3 軟件設計

程序的總體設計思想是：首先根據電池的參數進行充電電壓、電流和單體電池數目的設置，再通過差分電路檢測電池組中單體電池的個數是否與設置相符。若不相符不進行充電，相符則開始恒流充電。同時電壓檢測模塊進行電壓測量，當某個單體電壓達到截止電壓4．2 V時，該路平衡電路開啟，單體電池立即進入恒壓充電狀態，起到保護作用而不影響其余單體電池繼續充電。所有單體電池達到最大電壓時，斷開平衡電路，整體電池組進行恒壓充電，當充電電流小于0．1 A并持續10 min，充電結束，如圖2所示。

圖2 總電流變化趨勢圖和總電壓變化趨勢圖

4 實驗測試結果

使用該智能平衡充電器對6芯串聯鋰聚合物電池組進行充電測試，為了使電池組安全充電，一般設置最大充電電流小于2．0A。此次實驗，設置充電電流為1．0A。待充電池組的起始電壓為21．41 V，各個單體電池電壓：u1＝3．46 V，u2＝3．67 V，u3＝3．54 V，u4＝3．57 V，u5＝3．64 V，u6＝3．53 V，圖2為總充電電流變化趨勢圖和總電壓變化趨勢圖。

從t＝0到t＝245 min時段，電池組進行的是恒流充電，在這個階段充電電流恒為1．0A，隨著充電的進行，整個電池組的電壓不斷上升。當電池組電壓達到充電截止電壓25．2 V時，說明接下來要進行恒壓充電，充電系統把電壓值作為反饋來控制PWM輸出。恒壓充電時，隨著充電的進行，充電電流不斷減小，直至充電電流小于0．1 A，則認為充電結束。

［1］ 高艷麗．一種DC－DC升壓轉換器的設計［M］．西安：西北工業大學出版社，2007．

［2］ 張 亮．光伏系統中鋰電池智能管理系統設計［M］．揚州：揚州大學出版社，2012．

［3］ 宋加仁，茅力群．基于HT46R23的鋰離子電池智能充電器［J］．電子設計應用，2003，（8）：67－69．