ST M32處理器的鋰電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)

張洪濤，吳 芬

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

由于鋰離子電池對充放電過程中的電壓和電流要求很高，一旦電壓或電流超過安全范圍則會導(dǎo)致電池溫度升高使電池報(bào)廢，嚴(yán)重的將導(dǎo)致電池爆炸.所以鋰電池的保護(hù)電路設(shè)計(jì)一直是鋰電池使用中的重點(diǎn)問題［1－2］.

本文提出一種基于ST M32系列芯片的鋰離子電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案.以ST M32F103 VET6嵌入式控制器為核心，使用X3100V28鋰電池保護(hù)芯片實(shí)現(xiàn)對鋰電池組的過充、過放、過流及溫度保護(hù).

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)（圖1）主要分為ST M32微控制器模塊、X3100保護(hù)芯片模塊兩個(gè)主要部分.X3100將采集的數(shù)據(jù)輸出給ST M32中的ADC模塊來監(jiān)測各電池的電壓、電流，而ST M32通過SPI與X3100通信，發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作.通過電流值可判斷電池為充電、放電、過流或靜置狀態(tài)；通過電壓值可判斷各電池為充電、放電、過充或過放，還可判斷電池組電壓是否均衡，并決定是否啟動(dòng)均衡模塊；通過溫度值可判斷電池為正常或危險(xiǎn)，并決定是否停機(jī)冷卻.ST M32將所有采集到的信息通過DMA存儲在ST M32F103中的FLASH中，方便以后查閱及維修.

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 ST M32微控制器模塊

ST M32系列控制器由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出.ST M32F103是增強(qiáng)型系列，工作在72 MHz帶有片內(nèi)RA M和豐富的外設(shè)［3］.內(nèi)核為高性能的32位ARM Cortex－M3，含有高速存儲器（高達(dá)128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRA M），具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式，滿足低功耗要求.該器件有多達(dá)80個(gè)通用I／O端口，3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口.選用ST M32F103 VET6微控制器主要考慮其高速可靠、資源豐富、工作溫度寬和供電電壓寬、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn).尤其是其內(nèi)部集成的12位雙路AD轉(zhuǎn)換器，含有16個(gè)通道，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間1μs.微控制器模塊主要包含了ST M32的基本外圍電路、電源電路、通信模塊和LED電路.其中ST M32的基本外圍電路如圖2所示.

圖2 ST M32外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路包括I／O引腳的擴(kuò)展、晶振、濾波電容、開關(guān)等.開關(guān)JP1為電源開關(guān)，J1為模式選擇開關(guān)，USER（用戶）模式為正常工作狀態(tài)，SYS（系統(tǒng)）模式為調(diào)試及維修狀態(tài).電源電路為ST M32芯片供電，由鋰電池組通過X3100輸出電壓為其主電源，采用BL8503作電源穩(wěn)壓.當(dāng)X3100無法供電時(shí)，可以打下開關(guān)S1選擇由VBAT（備用電池）供電.JTAG芯片用來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，方便在線調(diào)試及維修.LED燈顯示電路的工作狀態(tài).

1.2 X3100保護(hù)芯片模塊

X3100是Intersil公司生產(chǎn)的專用于4節(jié)鋰離子電池保護(hù)和監(jiān)測芯片（圖3）.它內(nèi)部集成了過放、過充和過電流保護(hù)電路、EEPROM存儲器、電壓校準(zhǔn)器、FET驅(qū)動(dòng)電路等.X3100可通過一個(gè)3 MHz的SPI接口與微控制器通信［4］，可人為地修改過壓、過放及過流的限值，還可由微控制器發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)動(dòng)作.而內(nèi)部的模擬多路轉(zhuǎn)接器使X3100輸出指定的電池參數(shù)給A／D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)這些參數(shù)微控制器可通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)電壓平衡等功能.

在正常工作模式下X3100芯片由電池組供電，當(dāng)電池組處于欠壓狀態(tài)時(shí)，芯片通過D6、D7由外接電源供電.X3100對電池組的保護(hù)功能由開關(guān)電路完成，開關(guān)電路由放電FET（Q1）和充電FET（Q2）構(gòu)成.當(dāng)電池在充（放）電過程中達(dá)到保護(hù)條件時(shí)，將關(guān)斷Q2（Q1），切斷充（放）電回路，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)電池的目的.當(dāng)處于Sleep模式時(shí)，Q1和Q2都被關(guān)斷，此時(shí)電路電流小于0.5μA，滿足低功耗要求.對電池組的電壓均衡功能由4個(gè)均衡FET（Q6～Q9）實(shí)現(xiàn)，當(dāng)某個(gè)單體電池達(dá)到均衡條件時(shí)，微控制器輸出指令給X3100使其對應(yīng)的均衡FET開通，切斷其充電回路并通過旁接電阻降壓.與ST M32的通信功能由多路選擇器接口和SPI接口實(shí)現(xiàn).ST M32通過GPIO口控制X3100的引腳AS0～AS2的高低電平，進(jìn)而控制其內(nèi)部的模擬多路選擇器，引腳AO輸出參數(shù)給ST M32的A／D接口.

圖3 X3100電路

2 軟件設(shè)計(jì)

本電路由C語言編寫，使用Keil軟件編寫調(diào)試.主要由初始化模塊、功能指令定義模塊、電壓電流保護(hù)模塊、均衡模塊和溫度保護(hù)模塊構(gòu)成.流程見圖4.

2.1 X3100功能指令及上電模塊

在本模塊中定義X3100的所有功能指令，X3100上電時(shí)序控制.設(shè)定X3100配置寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器的初值.

圖4 軟件流程圖

2.2 電壓、電流保護(hù)

定時(shí)讀取每節(jié)電池的電壓值，當(dāng)某節(jié)電池電壓高于（低于）設(shè)定電壓限值并達(dá)到延遲時(shí)間時(shí)，關(guān)斷充電（放電）控制FET.而后則周期性地檢測每節(jié)電池電壓，當(dāng)所有電池電壓達(dá)到釋放條件時(shí)，打開充電（放電）控制FET.但若電池處于欠壓狀態(tài)低于Sleep電壓時(shí)，則關(guān)斷充電和放電控制FET并進(jìn)入Sleep模式.

周期性地檢測電池組電流，當(dāng)電流超過設(shè)定限值時(shí)，關(guān)斷放電控制FET，并在X3100的OVP引腳輸出7.5μA的恒定電流測試外部負(fù)載，當(dāng)負(fù)載大于250 KΩ時(shí)釋放過流保護(hù)模式.

2.3 平衡功能

在電池組進(jìn)行充電時(shí)，由于各單節(jié)電池性能存在差異，所以各單電池電壓不能保持一致.在正常充電過程中，若某一單電池先于其他電池充至上限值，此時(shí)繼續(xù)讓電池組充電將導(dǎo)致該單電池過充.首先通過讀狀態(tài)寄存器判斷是否處于充電狀態(tài)，然后通過控制指令使X3100循環(huán)輸出各單體電池電壓，判斷電壓最高和最低的兩個(gè)電池，當(dāng)電壓差超過設(shè)定值時(shí)開通電壓高的電池對應(yīng)的平衡FET，切斷其充電回路直至電壓差回落在限值內(nèi).

2.4 溫度保護(hù)

鋰電池對溫度的要求非常高，使用范圍為－20℃～＋60℃，但大于45℃時(shí)自放電增大，容量下降，同時(shí)也不宜快速充電.本設(shè)計(jì)中電池組環(huán)境溫度的測量采用ST M32F103中的數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍為－55℃～＋125℃.溫度保護(hù)分以下幾種情況：正常工作溫度范圍為－20℃～＋60℃，超出此范圍時(shí)切斷充電和放電回路進(jìn)入Sleep模式；允許大電流充電范圍為＋10℃～＋45℃；放電溫度范圍為－10℃～＋50℃；溫升大于1.5℃／min時(shí)切斷充電回路；溫度高于80℃則關(guān)閉系統(tǒng)電源，停止工作等待溫度回落重新啟動(dòng)系統(tǒng).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過軟硬件調(diào)試，該電路在電池充放電過程中均很好地完成了所有保護(hù)動(dòng)作.圖5a為該電路在充電過程中當(dāng)某單節(jié)電壓高于4.2 V時(shí)進(jìn)行電壓均衡的時(shí)序圖，曲線1為限值4.2 V，曲線2為電池電壓，曲線3為微控制器輸出開關(guān)管控制信號.由圖可知，當(dāng)電池電壓高于限值時(shí)，微控制器輸出高電平驅(qū)動(dòng)平衡FET.圖5b為電路在放電過程中當(dāng)某單節(jié)電池低于2.25 V時(shí)進(jìn)行欠壓保護(hù)的時(shí)序圖，曲線1為限值2.25 V，曲線2為電池電壓，曲線3為微控制器輸出開關(guān)管控制信號.由圖可知，當(dāng)電池電壓低于限值時(shí)，微控制器輸出低電平關(guān)斷充放電FET.

圖5 時(shí)序圖

4 結(jié)束語

本文給出了一種基于ST M32F103和X3100芯片的鋰電池組充放電保護(hù)電路，采用嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對電池組的過充電電壓、過放電電壓、過充電電流、過放電電流、短路和溫度保護(hù)，以及電池組單體電池間電壓均衡功能.本電路使用范圍廣，符合時(shí)下新興電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨勢.

［1］董翠穎，馬 季.動(dòng)力鋰電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009（10）：98－101.

［2］張志賢，劉培德.電動(dòng)自行車用鋰離子電池保護(hù)板的設(shè)計(jì)［J］.山東科技，2005，18（1）：62－65.

［3］張舞杰，南亦民.基于ST M32F103 VB的應(yīng)用編程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（10）：2 820－2 822.

［4］Intersil.X3100 Datasheet FN8110.1［EB／OL］.［2022－11－15］www.intersil.com／products／deviceinf o.asp？pn＝X3100.