基于STM32的電池模擬器的設計與實現*

陳煒鋼,李 宏

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315020)

電池保護板測試儀是一種能夠準確測量電池保護板參數的儀器，其功能主要包括測試過充保護電壓值、過放保護電壓值、過電流保護值、靜態電流等重要性能指標參數。現在對電池保護板測試儀的要求越來越高，而電池保護板測試儀的關鍵部分就是電池模擬器的開發。因為如果直接用真實的電池對保護IC進行過充電電壓或過放電電壓測試，則完整地檢測一個電池從充電到放電不僅需要花很長時間，而長時間充電顯然會使生產效率下降，而且由于電池固有的特性，這樣反復的充放電很容易使其壽命縮短甚至永久的損壞。所以需要用電池模擬器來模擬這個過程。

目前現有的電池模擬器具有如下缺點：(1)模擬對象單一，只能模擬一種特定的電池；(2)不能任意設定輸出電壓；(3)無法模擬多節串聯的電池，如果同時模擬多節電池時，需要多臺電子負載與穩壓電源連接。

本文給出了一種可串聯的用于電池保護板測試裝置的電池模擬器的設計方案。該電池模擬器可以有效解決以上不足，在模擬多節電池串聯時操作簡單，且模擬精度高，使用范圍廣，有很好的應用性。

1 電池模擬器工作原理

本文給出的電池模擬器的輸出電壓為0～5 V可調，分辨率1 mV，精度0.1%±3個字。電池模擬器的實質為輸出電壓受控的直流穩壓電源,其輸出電壓變化的規律與所需模擬的電池的特性一致。電池模擬器的控制原理框圖如圖1所示。

該電池模擬器主要由STM32控制模塊、通信模塊、電壓產生模塊、ADC模塊和電源模塊構成。控制模塊的作用主要有電壓設定、輸出電壓、電流等參數的采集、監測、調節等。其性能穩定，數據處理能力強，滿足電池模擬器速度和精度的要求。

通信模塊主要包括RS485接口和隔離電路，其作用在于提供與外部控制器的數據交換接口。電壓模塊用于使電池模擬器的輸出電壓可任意調節[1]。

圖1 電池模擬器原理框圖

ADC模塊將輸出電壓、電流信號進行差分放大后變成能夠處理的模擬信號，將此模擬信號通過ADC轉換后送到控制模塊做處理。

2 硬件電路設計

2.1 通信模塊

該電池模擬器的通信模塊主要由RS485接口和隔離電路構成。電路圖如圖2所示,圖中的控制器是指通過RS485與電池模擬器進行數據交換的模塊，不屬于電池模擬器。

圖2 通信模塊電路圖

在實際應用中由于情況十分復雜，且各個節點間參考地的不同，會存在較高的共模電壓。雖然RS485接口采用的是差分傳輸方式，但是在超過其接收器的共模電壓范圍(小于-7 V或大于12 V)后會使設備無法正常工作，嚴重時甚至會燒毀設備。所以采用DC-DC隔離模塊將系統電源與RS485通信電源隔離，再用高速光耦將信號隔離，這樣可以有效地消除共模電壓的影響[2]。

2.2 電壓產生模塊

該電池模擬器設計適用多類電池，由于燃料電池的電壓范圍為0～1.229 V，鎳氫電池電壓范圍為0～1.4 V，鉛酸電池的電壓范圍為0～2 V，鋰電池電壓范圍為0～4.2 V。而電池模擬器的輸出電壓設置為0～5 V可調，分辨率1 mV，精度0.1%。若采用傳統的數字電位器控制電壓，則電壓精度不能滿足需求。所以該電池輸出模塊由STM32模塊通過SPI來控制DAC7611輸出電壓以實現任意電壓可調，再由放大電路放大輸出電壓值。電壓產生模塊電路如圖3所示。

圖3 電壓控制電路

DAC7611是 12位的串行高速數/模轉換器，1 mV/LSB，滿量程輸出4.095 V，內部參考電壓為 2.435 V。此電壓輸出模塊電路簡單，且在速度和精度上都能滿足設計要求。放大電路的主要作用是增大輸入阻抗、降低輸出阻抗從而提高電壓輸出能力。放大電路主要由集成放大器組成。由于電壓精度的要求，集成運算放大器應該具有合適的輸入偏置電流和輸入失調電流，比如集成運算放大器有20 nA的偏置電流，這個電流流到外面電阻，即使是kΩ級的，也會產生幾十μV的失調電壓。這里還需要考慮的影響電路的因素有輸入失調電壓及共模抑制比。這些參數若選擇不當,則會產生超過1 mV的電壓誤差，這將直接影響電壓產生模塊的輸出電壓精度。如圖3所示，電路引入電壓串聯負反饋，故認為其輸入電阻無窮大，由“虛短”和“虛斷”的概念可以求出輸出電壓為：

SHT11溫濕度傳感器是瑞恩公司推出的一款集溫濕度檢測于一體的傳感器I2C器件，具有免調試、 免標定、 測量分辨率可編程調節(8/ 12/ 14 位數據) 和超小封裝尺寸等特點；可以進行溫度補償的濕度測量；在測量溫濕度的同時可以測量露點，輸出為數字信號，很適合與單片機等控制器件結合組成智能溫濕度測量系統。SHT11有4個管腳，其中1個接電源，1個接地，1個時鐘管腳，一個數據管腳。

其中DN是DAC輸入數字量。

2.3 ADC模塊

ADC模塊主要由電壓輸出采樣電路和靜態電流采樣電路組成。電壓輸出采樣電路如圖4所示。

圖4 電壓輸出采樣電路

由于電壓精度的要求，STM32模塊ADC的基準電壓采用外部基準源，由于外部基準源的溫度漂移典型值為2 ppm/°C，所以在溫度變化范圍為 0℃～+70℃(以 25℃為基準點)內，有：

由于電池模擬器的輸出范圍在0～5 V，而ADC的基準電壓為3 V，所以需要在電壓產生模塊的輸出上疊加一個2 V的直流分量，而且這個直流分量必須足夠穩定。隨后將這兩個電壓由差分放大器件按一定比例放大后作為STM32內部ADC的輸入電壓。

靜態電流采樣電路主要用來測試該電池模擬器的自耗電。其原理是采用高端電流檢測[3]，再用差分放大器將采樣電阻兩端的差值電壓放大，最后送入ADC。其電路如圖5所示。

圖5 電流采樣電路

電路的輸出電壓與輸入電壓的關系為：

由ADC轉換得到的數字量，根據ADC位數與參考電壓可求出此時的電壓值，通過電壓值與采樣電阻的值就可以求得靜態電流的值。ADC使用STM32內部集成的12位 ADC，該 ADC具有16個輸入信號通道，通過配置采樣序列寄存器，這些通道能以任意的順序輪流進行采樣。該ADC還具有自動校驗功能，可以顯著減小采樣的誤差[4]。

2.4 電源模塊

電池模擬器的電源模塊采用典型的整流、濾波、穩壓方式，這樣設計的好處在于電路簡單、容易實現而且線性電源的紋波小。同時由于多節電池的可串聯，若系統地與通信模塊地相互連接,將使共模電壓逐級升高，所以電源模塊中應該給通信模塊提供獨立的電源[5]。電源模塊電路圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖

為了使輸出電壓平均值是變壓器副邊電壓有效值的1.2倍，則濾波電容C1的容量應滿足RC=(3～5)T/2，其中R=U/I，T為電源周期。 即C=5×0.02 s×1 A/2×9 Ω=3 333 μF。 所以C1 應取 4 700 μF。

3 系統軟件設計

電池模擬器的實現首先需要設置模擬器的工作參數，包括電池類型、容量等[6]。這些工作參數的設定是通過控制器來完成的，控制器通過RS485與電池模擬器通信，將需要設置的數據傳輸給電池模擬器。需要注意這里的控制器不屬于電池模擬器。具體的程序設計流程圖如圖7所示。

程序主要采用無限循環加有限狀態機的結構，空閑狀態電池模擬器一直等待接收來自控制器的命令。當接收到來自控制器的命令后，進入靜態電流測試狀態，完成靜態電流測試后跳到電壓控制狀態，在電壓控制狀態下除了輸出電壓外還需完成ADC的過采樣。最后反饋信息進入空閑狀態[7]。

圖7 軟件設計流程圖

4 系統測試

該電池模擬器的輸出電壓設置為0～5 V可調，精度為滿量程的0.1%±3個字。所以輸出電壓最大誤差為±8 mV。現將3串電池模擬器串聯使用并測試單節輸出電壓。測試電路如圖8所示。

圖8 電池模擬器串聯圖

通過測試任意單節電池模擬器的輸出電壓，得到的數據如表1所示。測試中使用的儀器為GDM-8055。

從表1中可以看出，該電池模擬器的輸出電壓最大絕對誤差為±3 mV，滿足設計要求。

表1 輸出電壓測試

本文論述了一種用于電池保護板測試裝置的電池模擬器的設計，主要由STM32控制模塊、通信模塊、電壓產生模塊和ADC模塊構成。其中電壓模塊中選擇偏置電壓低、共模抑制比高的集成運算放大器以及穩定性高的基準電壓以滿足精度要求。在ADC模塊中采用差分采樣法測量電壓和電流。系統測試結果表明，該電池模擬器輸出電壓最大絕對誤差滿足設計要求。另外，該電池模擬器可多串串聯使用，電壓任意調節且抗干擾能力強，具有很好的應用前景。

[1]THOMPSON M T.Intuitive analog cricuit dseign[M].Elsevier Inc,2006.

[2]耿立中，王鵬，馬騁，等.RS485高速數據傳輸協議的設計與實現 [J].清華大學報(自然科學報),2008，48(8)：1311-1314.

[3]CANDY J C,TEMES G C.A tutorial discussion of the oversampling methods for A/D and D/A conversion[C].IEEE International Symposium on Circuits and Systems,1990,2：910-913.

[4]曾潔，張紅偉，馬園.基于PIC18F4685的電池模擬信號源設計[J]. 電池工業，2013,18(1)：25-28.

[5]馬園．電池管理系統模擬信號源的研究與實現[D]．大連：大連交通大學，2012．

[6]許勇，葉剛，卞青青，等.基于A/D轉換最小二乘法的數據采集應用[J].微計算機信息，2009，25(4-2)：280-282.

[7]朱丹.基于C8051F020的PID參數自整定控制器的研究與實現[J].微型機與應用，2013，32(9)：21-23.