ST M32处理器的锂电池组保护电路设计

2012-10-13张洪涛

湖北工业大学学报 2012年2期

关键词：微控制器电池组限值

张洪涛，吴芬

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068）

由于锂离子电池对充放电过程中的电压和电流要求很高，一旦电压或电流超过安全范围则会导致电池温度升高使电池报废，严重的将导致电池爆炸.所以锂电池的保护电路设计一直是锂电池使用中的重点问题［1－2］.

本文提出一种基于ST M32系列芯片的锂离子电池组保护电路设计方案.以ST M32F103 VET6嵌入式控制器为核心，使用X3100V28锂电池保护芯片实现对锂电池组的过充、过放、过流及温度保护.

1 硬件电路设计

本设计（图1）主要分为ST M32微控制器模块、X3100保护芯片模块两个主要部分.X3100将采集的数据输出给ST M32中的ADC模块来监测各电池的电压、电流，而ST M32通过SPI与X3100通信，发送控制指令，实现保护动作.通过电流值可判断电池为充电、放电、过流或静置状态；通过电压值可判断各电池为充电、放电、过充或过放，还可判断电池组电压是否均衡，并决定是否启动均衡模块；通过温度值可判断电池为正常或危险，并决定是否停机冷却.ST M32将所有采集到的信息通过DMA存储在ST M32F103中的FLASH中，方便以后查阅及维修.

图1 总体结构图

1.1 ST M32微控制器模块

ST M32系列控制器由意法半导体公司（ST）推出.ST M32F103是增强型系列，工作在72 MHz带有片内RA M和丰富的外设［3］.内核为高性能的32位ARM Cortex－M3，含有高速存储器（高达128 K字节的闪存和20 K字节的SRA M），具有睡眠、停机和待机三种模式，满足低功耗要求.该器件有多达80个通用I／O端口，3个通用16位定时器和一个PWM定时器，9个标准和先进的通信接口.选用ST M32F103 VET6微控制器主要考虑其高速可靠、资源丰富、工作温度宽和供电电压宽、功耗低、性价比高的特点.尤其是其内部集成的12位双路AD转换器，含有16个通道，最快转换时间1μs.微控制器模块主要包含了ST M32的基本外围电路、电源电路、通信模块和LED电路.其中ST M32的基本外围电路如图2所示.

图2 ST M32外围电路设计

外围电路包括I／O引脚的扩展、晶振、滤波电容、开关等.开关JP1为电源开关，J1为模式选择开关，USER（用户）模式为正常工作状态，SYS（系统）模式为调试及维修状态.电源电路为ST M32芯片供电，由锂电池组通过X3100输出电压为其主电源，采用BL8503作电源稳压.当X3100无法供电时，可以打下开关S1选择由VBAT（备用电池）供电.JTAG芯片用来实现与上位机的通信，方便在线调试及维修.LED灯显示电路的工作状态.

1.2 X3100保护芯片模块

X3100是Intersil公司生产的专用于4节锂离子电池保护和监测芯片（图3）.它内部集成了过放、过充和过电流保护电路、EEPROM存储器、电压校准器、FET驱动电路等.X3100可通过一个3 MHz的SPI接口与微控制器通信［4］，可人为地修改过压、过放及过流的限值，还可由微控制器发送控制指令实现各种保护动作.而内部的模拟多路转接器使X3100输出指定的电池参数给A／D转换器，根据这些参数微控制器可通过软件算法来实现电压平衡等功能.

在正常工作模式下X3100芯片由电池组供电，当电池组处于欠压状态时，芯片通过D6、D7由外接电源供电.X3100对电池组的保护功能由开关电路完成，开关电路由放电FET（Q1）和充电FET（Q2）构成.当电池在充（放）电过程中达到保护条件时，将关断Q2（Q1），切断充（放）电回路，进而达到保护电池的目的.当处于Sleep模式时，Q1和Q2都被关断，此时电路电流小于0.5μA，满足低功耗要求.对电池组的电压均衡功能由4个均衡FET（Q6～Q9）实现，当某个单体电池达到均衡条件时，微控制器输出指令给X3100使其对应的均衡FET开通，切断其充电回路并通过旁接电阻降压.与ST M32的通信功能由多路选择器接口和SPI接口实现.ST M32通过GPIO口控制X3100的引脚AS0～AS2的高低电平，进而控制其内部的模拟多路选择器，引脚AO输出参数给ST M32的A／D接口.

图3 X3100电路

2 软件设计

本电路由C语言编写，使用Keil软件编写调试.主要由初始化模块、功能指令定义模块、电压电流保护模块、均衡模块和温度保护模块构成.流程见图4.

2.1 X3100功能指令及上电模块

在本模块中定义X3100的所有功能指令，X3100上电时序控制.设定X3100配置寄存器、控制寄存器、状态寄存器的初值.

图4 软件流程图

2.2 电压、电流保护

定时读取每节电池的电压值，当某节电池电压高于（低于）设定电压限值并达到延迟时间时，关断充电（放电）控制FET.而后则周期性地检测每节电池电压，当所有电池电压达到释放条件时，打开充电（放电）控制FET.但若电池处于欠压状态低于Sleep电压时，则关断充电和放电控制FET并进入Sleep模式.

周期性地检测电池组电流，当电流超过设定限值时，关断放电控制FET，并在X3100的OVP引脚输出7.5μA的恒定电流测试外部负载，当负载大于250 KΩ时释放过流保护模式.

2.3 平衡功能

在电池组进行充电时，由于各单节电池性能存在差异，所以各单电池电压不能保持一致.在正常充电过程中，若某一单电池先于其他电池充至上限值，此时继续让电池组充电将导致该单电池过充.首先通过读状态寄存器判断是否处于充电状态，然后通过控制指令使X3100循环输出各单体电池电压，判断电压最高和最低的两个电池，当电压差超过设定值时开通电压高的电池对应的平衡FET，切断其充电回路直至电压差回落在限值内.

2.4 温度保护

锂电池对温度的要求非常高，使用范围为－20℃～＋60℃，但大于45℃时自放电增大，容量下降，同时也不宜快速充电.本设计中电池组环境温度的测量采用ST M32F103中的数字温度传感器，测温范围为－55℃～＋125℃.温度保护分以下几种情况：正常工作温度范围为－20℃～＋60℃，超出此范围时切断充电和放电回路进入Sleep模式；允许大电流充电范围为＋10℃～＋45℃；放电温度范围为－10℃～＋50℃；温升大于1.5℃／min时切断充电回路；温度高于80℃则关闭系统电源，停止工作等待温度回落重新启动系统.

3 实验结果

经过软硬件调试，该电路在电池充放电过程中均很好地完成了所有保护动作.图5a为该电路在充电过程中当某单节电压高于4.2 V时进行电压均衡的时序图，曲线1为限值4.2 V，曲线2为电池电压，曲线3为微控制器输出开关管控制信号.由图可知，当电池电压高于限值时，微控制器输出高电平驱动平衡FET.图5b为电路在放电过程中当某单节电池低于2.25 V时进行欠压保护的时序图，曲线1为限值2.25 V，曲线2为电池电压，曲线3为微控制器输出开关管控制信号.由图可知，当电池电压低于限值时，微控制器输出低电平关断充放电FET.