基于ST M32處理器的鋰電池快速充電設計

2012-10-13 02:38:32張洪濤彭瀟麗

湖北工業大學學報 2012年2期

張洪濤，彭瀟麗

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068）

采用高性能動力電池提供能量驅動汽車行駛，可大大減少廢氣排放.因此，動力電池的研發已成為世界各國汽車工業的重點研究的電池技術之一.在國內，對大功率動力型電池的研究起步晚且不成熟，如何對動力電池進行快速充電并保持電池良好的性能，成為制約國內電池技術發展的頸瓶.本文根據這一現實提出了基于ARM的ST M32處理器的智能管理系統和PFC的充電系統，對鋰離子電池的快速充電進行研究［1］.

嵌入式系統以計算機技術為基礎，系統的軟硬件可以裁剪，適用于應用系統，對可靠性、功能、成本及體積都有嚴格要求［2］.ST M32芯片使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的 RISC內核，工作頻率為72 MHz，同時提供先進的計算性能和良好的中斷系統響應.內置高速存儲器，豐富的增強I／O端口和聯接到兩條APB總線的外設.包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C、3個SPI、2個I2S、1個SDIO、5個USART、一個USB和一個CAN.芯片工作的溫度范圍為－40～105℃，供電電壓為2.0～3.6 V，芯片啟動后反應速度靈敏，當充放電過程遇到一系列情況時，芯片能做出相應的快速處理.這些豐富的外設配置，使得ST M32微控制器適合鋰離子電池充電控制等多種應用場合［3］.

1 智能管理系統總體方案設計

快速充電技術是一種能夠按照電池充放電特性要求進行充電，并達到電池容量、使用壽命最大化的充電技術.鋰離子電池智能充電系統設計研究的目標是：在不影響電池使用壽命且使電池容量最大化的前提下，實現快速、高效充電.整個系統以ARM芯片ST M32為主控制器，通過檢測電路采樣電池組的電壓和電流信息，并將其轉變成數字信號反饋給MCU控制器，控制器根據當前鋰離子電池組的充電情況，通過調整PWM的占空比，實現對充電電路工作狀態的調整，從而完成對鋰離子電池充電過程的監控.鋰離子電池組快速充電系統主要由電源充電電路、采樣檢測電路、控制電路和驅動電路四大部分組成.控制系統的框圖如圖1所示.

圖1 鋰離子電池快速充電控制系統的結構框圖

本文設計的鋰離子電池組由10個單體電池串聯組成，最大充電電壓為42 V，最小放電電壓為25 V，平均放電電壓為36 V，使用溫度范圍為－20℃～60℃，充電電流為0.5C（C為電池容量），功率因數PF＞0.95.本設計所使用的鋰離子電池，正極材料為Li FePO4和高性能負極材料，采用恒流充電方法，達到對電池進行充電的目的.

2 硬件電路設計

2.1 電源充電電路

電源充電電路由電源電路和充電電路兩部分組成.由于輸入的21 V電壓是交流正弦波，因此輸出電壓會不穩定.為了得到穩定的直流輸出電壓，在整流電路和充電電路之間接入一個DC／DC變換電路.圖2的左邊虛框圖便是Boost型PFC的高頻整流電源電路圖，其工作原理是：將交流市電經過電源變壓器T1得到21 V的交流電壓，經整流橋UR和電容C1后轉化為直流電壓，再經過DC／DC功率因數校正電路，得到穩定的42 V直流輸出電壓VI.充電電路對電池組進行恒流充電，其原理圖如圖2右邊虛框圖所示［4］.

圖2 電源充電電路原理圖

2.2 驅動電路

驅動電路是控制電路與主電路的接口.驅動器接受控制系統輸出的控制信號，經處理后送出驅動信號給開關器件，控制開關器件的通、斷狀態.本設計采用脈沖變壓器的P－MOSFET（Q1）驅動電路來實現.其工作原理是：當P輸入正信號時，脈沖變壓器PTR的二次側電壓VSG經過二極管D4為Q1提供導通電壓，同時電容C4開始儲存電量，此時輔助MOS管A M受反偏而阻斷，使電容C4無法通過A M放電.當P輸入負信號時，變壓器PTR二次側電壓VGS大于零，此時A M導電，DS兩點導通，電容C4的電量放出，使Q1關斷.驅動電路見圖3.

圖3 脈沖變壓器的P－MOSFET驅動電路

2.3 控制電路

控制電路包括兩部分：電源電路中的PFC控制電路和充電電路中三端穩壓集成電路IC1的輸出電壓控制電路.

PFC控制電路的工作原理為：將電源電路的輸出電壓VI和指令輸出電壓送入一個比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個直流量K，將二極管整流電壓Vdc和VAR的電壓輸出信號K共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出信號K×Vdc作為電感電流iL的電流指令ir，電壓VI與電壓指令值的誤差決定了ir的大小.將ir與電感電流iL的檢測值送入比例積分PI型電流誤差比較器CAR，而開關管Q1的PWM驅動控制電壓Vr就是由CAR的輸出決定的.最后將Vr與一個鋸齒波V△送入比較器C，此時C的輸出信號就是開關管Q1的驅動信號VG，VG再經過驅動電路來驅動開關器件Q1的工作.PFC控制電路如圖4所示［5］.

圖4 PFC控制電路原理圖

可調三端穩壓集成芯片IC1的輸出電壓控制電路如圖5所示.圖中Y0和Y1由ST M32芯片提供脈沖分配控制，在計數脈沖的作用下依次輸出高電平.當Y0端輸出高電平時，IC1的控制端（ADJ端）使IC1輸出電壓僅為1.25 V，此時電池處于靜置狀態，同時VL1點亮；當Y1輸出高電平時，該高電平經D5和R6加至IC1的控制端，使IC1的輸出電壓為42 V，該42 V電壓經過充電電路中的D3和R2對電池組進行恒流充電，同時VL2點亮.

圖5 IC1輸出電壓控制電路

2.4 檢測電路

檢測電路作為反饋環節的重要一環，必須保證采樣得到的信號精確可靠.充電時，當電池組電壓達到設定值時，通過ST M32處理器使充電控制電路的Y0端為高電平，靜置一段時間后如果電壓壓降值ΔV小于50 mV時，則充電完成，如果ΔV 大于50 mV時，則進行放電處理.當電池電壓降到設定值時，停止放電，轉為充電過程.

3 系統軟件設計

智能充電控制系統軟件是用C語言進行編程.將程序寫入ST M32的FLASH里，經過電路處理電池的電壓、電流模擬信號，經過AD轉換接口轉換成數字信號，根據這些數據結合電池的特性，達到對電池充放電系統的控制.該程序主要包括充電控制程序、電壓電流檢測程序、LED顯示程序及數據存儲程序四個程序模塊.系統軟件設計的流程圖如圖6所示［6］.