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基于STM32的多節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量：1797次  |  2019年11月14日  

引言


電池節(jié)能和污染正日益成為人們關(guān)注的問題。在傳統(tǒng)電池領(lǐng)域中，鉛酸電池和鎳氫電池在實(shí)際使用過程中存在一系列問題：如比容小，不適應(yīng)快速充電和大電流發(fā)電或者是鎳氫電池在串聯(lián)電池組時(shí)管理問題比較多。相反，鋰電池不僅比容要好于鉛酸電池和鎳氫電池，而且還具有無記憶效應(yīng)、使用壽命長和單節(jié)電芯電壓高等優(yōu)點(diǎn)。


在礦用產(chǎn)品中，鋰電池逐步替代了鉛酸電池和鎳氫電池。但鋰電池在使用時(shí)也存在一個(gè)重要的問題，它在過充電或是在過放電時(shí)電池可能會發(fā)生爆炸，因此需要良好的保護(hù)電路來配合使用，這樣可以杜絕電池爆炸的問題。本文研究的就是利用STM32f103單片機(jī)和LTC6802-1芯片對鋰電池組進(jìn)行管理保護(hù)。這樣可以既可以發(fā)揮鋰電池的優(yōu)勢，也可以杜絕使用鋰電池產(chǎn)生的一些問題。


LTC6802介紹


在眾多電池管理芯片中，LTC6802性能出眾，其獨(dú)特的內(nèi)部設(shè)計(jì)使其能同時(shí)檢測多達(dá)12節(jié)電池電壓，而且其簡單的外部電路配置能使我們方便的搭建系統(tǒng)，有利于降低成本和開發(fā)時(shí)間。


LTC6802內(nèi)部有高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，位數(shù)多達(dá)12位，單個(gè)LTC6802能同時(shí)檢測12節(jié)串聯(lián)單體電池電壓，也可以測量電池組總電壓，在電池管理系統(tǒng)中，我們可以將多個(gè)LTC6802芯片組成鏈?zhǔn)诫娐?，方便我們監(jiān)測多于12節(jié)或大于60V的電池組，采用這種可堆疊式架構(gòu)使得我們測量或管理1000V電池系統(tǒng)成為可能，利用其雙熱敏電阻輸入、板上溫度傳感器等多種渠道可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鋰電池組溫度。


LTC6802與微處理器之間的通信是由一個(gè)兼容式串行接口實(shí)現(xiàn)，在鏈?zhǔn)诫娐分?，每個(gè)LTC6802都能通過簡單的二極管隔離實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其SpI時(shí)序圖如圖1所示。


圖1SpI通信時(shí)序LTC6802有多種工作模式，如待機(jī)模式、測量模式以及監(jiān)視模式；每一種模式都有其獨(dú)特的工作狀態(tài)：


待機(jī)模式：系統(tǒng)上電時(shí)，LTC6802默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)，除串口和穩(wěn)壓器電路外，其他電路都處在關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)LTC6802電流處在最小狀態(tài)。


測量模式：通過命令對寄存器CDC位進(jìn)行設(shè)置，可以使LTC6802處在測量模式中，此時(shí)，對單體電池的電壓進(jìn)行正常監(jiān)視，通過寄存器能判斷其是否過壓或欠壓。


監(jiān)視模式：LTC6802只監(jiān)視處于過壓或欠壓狀態(tài)的單體電池，串口通信電路處于關(guān)閉狀態(tài)；


它廣泛應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車、大功率可攜帶設(shè)備、備用電源、高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文中主要將其應(yīng)用在備用電源中，取得良好效果。


硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)


在圖2中，LTC6802鏈?zhǔn)诫娐房梢詼y量多節(jié)（12節(jié)或更多）鋰電池電芯值，通過這些電壓或溫度值，可以判斷電池是過充、過放還是過溫。STM32F103主控芯片通過自帶動SpI總線模塊從LTC6802中讀取所需要的值，利用充放電控制單元對鋰電池組進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也可以在LCD人機(jī)界面上顯示。


圖2硬件系統(tǒng)框圖


STM32F103控制單元


該款單片機(jī)是基于Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)的ARM芯片，內(nèi)部集成SpI總線模塊、USB模塊、16路ADC采樣等等外設(shè)。其時(shí)鐘頻率最大可以達(dá)到72MHz，這樣的頻率可以滿足大部分場合的需要。內(nèi)置512KB的高速存儲器以及64KB的SRAM，豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到ApB總線的外設(shè)均使得STM32F103成為一款非常優(yōu)秀的單片機(jī)。


這些豐富的外設(shè)資源，使得STM32F103系列單片機(jī)適合于多種場合：


①電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)用控制；


②醫(yī)療和手持設(shè)備；


③pC外設(shè)和GpS平臺；


④工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀；


⑤警報(bào)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、備用電池系統(tǒng)等等。


在本系統(tǒng)中，STM32F103單片機(jī)主要應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)中，也就是備用電源。STM32F103通過自身的SpI外設(shè)來設(shè)置LTC6802工作方式，通過LTC6802讀取電池組電芯電壓值、電芯溫度值，以及設(shè)置電池過壓、欠壓和過溫等報(bào)警標(biāo)志，并利用這些獲得的值對電池進(jìn)行充放電管理，這樣可以達(dá)到保護(hù)電池的作用。


在硬件系統(tǒng)框圖中，我們可以看到系統(tǒng)模塊有：單片機(jī)最小系統(tǒng)、LTC6802鏈?zhǔn)诫娐?、電池均衡電路、電池測溫單元電路、通信電路等。


在該電路中，STM32F103單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對LTC6802信息的讀寫，控制均衡電路，也就是充放電控制單元，同時(shí)可以檢測電池溫度，將這些有用信息在人機(jī)界面上面顯示。電路如圖3所示。


圖3STM32F103控制電路


LTC6802鏈?zhǔn)诫娐?/p>
LTC6802鏈?zhǔn)诫娐吩诙嚯姵匦畔z測中有著重要的作用，我們知道一塊LTC6802芯片只能管理12個(gè)單個(gè)電池，一般情況下也就是36V左右。在某些時(shí)候，可能需要電池電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于36V，這個(gè)時(shí)候我們就可以利用LTC6802鏈?zhǔn)诫娐穪磉_(dá)到這個(gè)要求，如圖4所示。


在圖4中，SpITOp和SpIBOTTOM就是連接頂端LTC6802和底端LTC6802。這樣就可以組成多級LTC6802鏈?zhǔn)诫娐贰?/p>
圖4LTC6802鏈?zhǔn)诫娐?/p>
控制均衡電路


均衡電路在電池管理過程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，我們所做的一切，都是為了方便管理電池電壓、電量的平衡，均衡電路的作用就在于保持電池電壓的平衡，這樣就保護(hù)了電池。電路如圖5所示，這里只給出了部分均衡電路。


圖5均衡電路


電池測溫單元電路


每個(gè)芯片都有自己的工作溫度范圍，LTC6802的溫度范圍是<85℃,而且當(dāng)其內(nèi)部溫度超過105℃時(shí)，LTC6802采樣性能就會降低，更為嚴(yán)重的是，如果其溫度達(dá)到150℃，LTC6802芯片極有可能被燒壞。因此，為了保護(hù)LTC6802芯片，必須要用溫度檢測電路，其圖如6所示。


圖6電池測溫單元電路


這里VTEMp2處接NTC,我們通過NTC就可以獲得實(shí)際溫度值。


通信電路


STM32F103與LTC6802的通信電路比較簡單，主要是SpI通信。如圖7所示。


圖7通信電路


軟件設(shè)計(jì)


本電池管理系統(tǒng)采用模塊化編程方式，利用高級語言編程，主要流程圖如圖8所示。


圖8中給出的是單個(gè)LTC6802進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的軟件編程，LTC6802芯片可以連接成鏈?zhǔn)诫娐?，這時(shí)，通過STM32F103由高到低逐次向各級LTC6802發(fā)送讀寫指令，寫指令時(shí)，數(shù)據(jù)由高到低傳送，讀數(shù)據(jù)則相反。


LTC6802有多個(gè)指令寄存器，如電壓寄存器、溫度寄存器、標(biāo)志寄存器、命令寄存器。每個(gè)寄存器都有其特殊的功能，如通過配置電壓寄存器，我們可以設(shè)置過壓大小、欠壓大小等；配置命令寄存器，我們可以設(shè)置電池測量個(gè)數(shù)等。表1列出了命令寄存器。


表1命令寄存器




圖8程序流程圖



圖9LTC6802的管理效果


系統(tǒng)中采用單片機(jī)作為主控制器，利用其本身自帶的SpI外設(shè)與LTC6802進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這里給出一部分程序清單，如下：


voidLtc6802_Init(void)


{


GpIO_Configuration();


SpI_Configuration();


Ltc6802_Write();


}


測試結(jié)果


我們可以使用專門的軟件來查看LTC6802的管理效果，從圖9我們可以看出電池組中共有12節(jié)電池，也就是說這里只使用了一個(gè)我們可以使用專門的軟件來查看LTC6802芯片來管理電池，電芯電壓CELL1到CELL12電壓均在1.89V左右，從這個(gè)軟件中我們也可以看到采樣的溫度電壓：如2.487V，當(dāng)然需要自己手動將其轉(zhuǎn)換成溫度值。還有一個(gè)比較重要的是，可以利用這個(gè)軟件來設(shè)定電池組中電芯的過欠壓值。


通過這款軟件，我們能實(shí)時(shí)監(jiān)測鋰電池組的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷是否有單體電池處在過壓或欠壓狀態(tài)。


結(jié)論


本文詳細(xì)介紹了STM32F103單片機(jī)和LTC6802的聯(lián)合使用情況，給出了一種鋰電池的管理方法，LTC6802是一款非常優(yōu)秀的電池管理芯片，在電池管理過程中能準(zhǔn)確獲取電池組單體電池電壓、電池溫度，有效地對電池電壓進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)鋰電池組的動態(tài)保護(hù)，它可以對長串鋰電池組電池芯進(jìn)行電壓測量與監(jiān)視，也可以通過對電池進(jìn)行充放電來達(dá)到電池組電壓均衡的目的?？蓮V泛用于電瓶車、備用電源等場所。當(dāng)然，在本文中，有關(guān)系統(tǒng)功耗和電流檢測還有待改善。


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