基于STM32和PWM的锂离子电池检测系统设计和研究

杨保亮 杨守良

摘 要： 随着电子产品的普及和锂电池应用的增多，对锂离子电池的检测系统提出了更高的要求。文中提出一种基于STM32和PWM的锂离子电池检测系统，其采用双层分布式结构，即工控机与微处理器分别作为上位机与下位机。充放电技术为脉冲宽度调制，控制策略为闭环负反馈，底层为可扩展的模块化检测平台，从而根据要求设定程序以完成多种工步的检测。文中对检测系统的总体设计方案进行介绍，并设计了锂电池的充放电、信号采集等控制模块，最后运用实验对所设计的系统进行了验证。结果表明，该系统具有可靠性与精度高、响应速度快、操作方便的优点，能满足锂电池检测系统的程序设定与多工步检测。

关键词： STM32单片机; PWM; 锂离子电池; 脉冲宽度调制; 分布式控制; 闭环负反馈

中图分类号： TN304.6?34; TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0120?04

Abstract： The popularization of electronic products and the increase of lithium?ion battery application set a high requirement for the detection system of lithium?ion batteries. Therefore， a lithium?ion battery detection system based on STM32 and PWM is proposed in this paper. The system adopts the double?layer distributed structure with the IPC as the upper computer and microprocessor as the lower computer respectively. In this system， programs are set according to the requirements of the charge and discharge technology being used for pulse width modulation， the closed?loop negative feedback being used as the control strategy， and the extensible modularized detection platform being put at the bottom level， so as to accomplish the detection of multiple process steps. The overall design scheme of the detection system is introduced， and control modules such as charge and discharge module and signal acquisition module are designed. An experiment was carried out to verify the system designed in this paper. The results show that the system has the advantages of high reliability and precision， fast response speed， and easy operation， which can meet the requirements of program setting and detection of multiple process steps.

Keywords： STM32 MCU; PWM; lithium?ion battery; pulse width modulation; distributed control; closed?loop negative feedback

0 引 言

近年来电子产品逐渐普及，使得锂离子电池应用范围逐渐变广[1]，且电子产品的高能量密度、高循环寿命与高转换效率等的要求对锂离子电池的检测系统提出了更高的要求[2?4]。本文提出了一种基于STM32和PWM的锂离子电池检测系统，其采用双层分布式结构，即工控机与Cortex?M3微处理器[5]分别作为上位机与下位机。充放电技术为脉冲宽度调制，控制策略为闭环负反馈，底层为可扩展的模块化检测平台，从而根据要求设定程序以完成多种工步的检测。其中，运用上位机来对电池充放电参数进行设定，用其过程进行控制，所以当问题出现时能够及时停止。同时，系统内设置有保护电路，能够对过电压、欠电压、过电流等情况进行保护。本文对检测系统的总体设计方案进行介绍，并设计了锂电池的充放电、信号采集等控制模块。最终，运用实验对本文所设计的系统进行验证。结果表明，该系统具有可靠性与精度高、响应速度快和操作方便的优点，能够满足锂电池检测系统的程序设定与多工步检测。

1 检测参数和方案设计

对电池的性能检测是对电池的电压、电流、温度以及容量等电性能与存储性能进行检测，以此判断电池的状态是否符合国标的基本参数指标。并对其进行筛选评级，得到合格的锂电池[6]。挑选时需要尽可能的选择参数一致的电池，以使得其组合使用时可获得最佳性能。锂电池的性能参数除了电压、电流、容量的常规性能，还包括可靠性能与安全性能。其中，不能直接测量容量性能，其是通过放电的恒电流值与放电时间的乘积进行计算的[7?10]。

该系统双层结构中的上位机主要是用户管理层，其基于工控机是用以实现远程操作检测平台和人机交互的，最多可操作的检测平台数为32个。上位机与现场检测平台控制器间的通信方式为CAN总线，能够实现指令的输入、数据的存储和信息的显示等功能，最终完成信息集成控制。此外，CAN总线能够将远程检测单元的各参数上传给上位机。

本文所设计的系统结构图如图1所示。该系统能够实时绘制锂电池充放电曲线，存储数据待检测完成后可生成测试报告供检测人员查看。

该系统是以ST公司的Cortex?M3核微处理器STM32F103VCT6为下位机控制器，下位机负责管理现场检测单元、电池充放电等控制，是系统的核心部分。系统通过下位机接收来自CAN总线解析的上位机指令，并采用闭环负反馈管理锂电池充放电，负反馈控制方式能够增加系统充放电精度与可靠性。以上操作处理完成之后，将发送控制模块控制指令来完成具体的信号采集等功能。

2 检测系统硬件设计

2.1 充放电控制模块

锂离子电池的检测过程包括充电、放电、暂停放置环节，且会循环进行。充电过程为先恒流再恒压充电，放电过程为恒流放电。

本文所设计系统含有8个检测平台，每个检测平台为充放电、数据采集电路的8个检测单元。本系统将220 V交流电转换为48 V直流电，再进行降压以满足锂离子电池充放电的电压、电流要求。上位机发送的充电控制指令在STM32控制器中处理，处理完成之后在降压控制器中进行恒压、恒流充电和放置的模式转换。

本系统的放电电路为根据流程STM32控制器，控制大功率耗能电阻实现恒流放电。在充放电的同时，系统通过数据采集电路采集的电压、电流等信号来进行实时反馈，再利用PID算法调节反馈值与给定值间的误差以实现恒压、恒流充放电控制。图2为系统充放电控制图。

图中充电电路由3部分构成，分别为TL494 PWM控制器、DC/DC电压变换和MOS管驅动电路。图3为其原理图。

TL494 PWM控制器进行闭环控制负反馈，使得在片内9，10两个引脚上产生脉宽调制信号PWM1，PWM2。其是随着锂离子电池内部电压电流而变化的，并被MOS管驱动电路控制着导通与截止。MOS管驱动电路的驱动方式为单端隔离，图中T2为隔离变压器，PWM1，PWM2脉宽调制信号控制Q1～Q4交替导通与截止，Q5，Q6 MOS的导通与截止是由隔直变压器T1二次侧输出的脉冲信号来控制的。DC/DC电压变换电路是输入DC 48 V电压，并进行逆变所产生的等幅正负方波电压信号。方波交流电压经T2降压之后通过D11，D12，L7，C16所构成的整流滤波电路，最终变换为DC 0～5 V电压。

2.2 信号采集模块

信号采集模块用以实现实时检测锂电池的电压、电流和温度，并将结果传递给上位机以显示锂电池参数变化，进而实现电池状态的监控。

图4为信号采集模块流程图，具体描述为采集锂电池待测信号，接着经过信号调理电路、A/D转换电路到达现场控制器。最终，传递到上位机实现对信号的处理。

1） 信号采样与调理电路。因锂电池充放电电流小，极易受到周围噪声的影响。因此，在锂电池的负极串联采样电阻实现对其电流信号的采集，并将得到的电压进行放大、调理。采集到的锂电池的端电压可直接作为采样电压。测量电池负端串联的电阻两端电压，实际检测电阻中最大电流为2.5 A，最大压差为±0.05 V。正负分别代表充电与放电范围，最小电流为0.05 A，压差为±0.001 V。因此，本文采用两级放大电路实现电压的50倍放大，最大压差也相应放大50倍，然后再补偿电压，采样电压范围满足A/D转化范围。图5为一级放大电路示意图。

反向比例放大电路构成二级放大电路，电路中需加入RC低通滤波电路以去除调理中的尖峰干扰。

2） A/D转换电路。现场检测中采集8块锂电池的电压、电流信号共16路数据为一组信号。因此，选取的A/D转换芯片为有16个模拟输入接口的AD5590，其具有A/D，D/A转化功能。该系统中的A/D转换功能负责将采样到的充放电过程的信号进行数字量化;D/A转换功能则负责充放电的电压、电流输出。AD5590通过模拟SPI接口实现与控制STM32的I/O接口的半双工通信。

3 系统测试

对本文所设计的锂离子电池检测系统进行实验验证，图6为锂电池充电实时曲线图，其在上位机中对检测过程进行控制操作。从图中可看出，最初的恒流充电电压逐渐升高，升到4.2 V时充电模式变为恒压充电，电压稳定，电流逐渐变小。图7所示为锂离子电池充电过程上位机所记录的充电数据，由此可得到充电过程中锂离子电池电压、电流以及容量的变化。图8为锂离子电池检测结果，由图可得，锂离子电池的充电终止电压以及放电终止电压、充电电流、电池容量等。实验所测试的锂离子电池标准容量为800 mA·h，检测标准为容量达到标准容量的80%，测试结果显示其实际容量为654 mA·h，达到标准容量的80%，检测结果达标。由实验结果可知，本文所设计的锂离子电池检测系统检测性能优良，能按设定工步完成充放电控制与检测。

4 结 语

本文提出一种基于STM32和PWM的锂离子电池检测系统，其采用双层分布式结构，即工控机与微处理器分别作为上位机与下位机。充放电技术为脉冲宽度调制，控制策略为闭环负反馈，底层为可扩展的模块化检测平台，从而根据要求设定程序以完成多种工步的检测。文中对检测系统的总体设计方案进行介绍，并设计了锂电池的充放电、信号采集等控制模块，最后运用实验对本文所设计的系统进行验证。结果表明，该系统具有可靠性高、响应速度快、操作方便、精度高的优点，满足锂电池检测系统的程序设定与多工步检测。

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