基于STM32的鋰電池組并行充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程紅麗　吳軍營　賈龍飛　劉道民

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1，陜西 西安　710054;西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2，陜西 西安　710054)

基于STM32的鋰電池組并行充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程紅麗1吳軍營1賈龍飛2劉道民1

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1，陜西 西安710054;西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2，陜西 西安710054)

摘要：由多個(gè)鋰電池串聯(lián)形成的電池組作為新型環(huán)保儲(chǔ)能設(shè)備，在機(jī)器人、無人機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。為了縮短電池組充電時(shí)間、保證電池電壓均衡性、提高充電系統(tǒng)的效率和可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于STM32控制的多路反激變換器并行輸出的并行充電電路，實(shí)現(xiàn)了串接電池組的每節(jié)電池單獨(dú)分階段恒流充電和保護(hù)。提出了一種基于不連續(xù)導(dǎo)電模式反激變換器的占空比控制法，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真、程序編寫及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的并行充電系統(tǒng)有效縮短了鋰電池組的充電時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了充電過程中的電壓均衡和過壓保護(hù)等功能。

關(guān)鍵詞：鋰電池組反激變換器嵌入式處理器智能控制恒流STM32PWM并行充電

0引言

目前，鋰電池因其電壓高、循環(huán)性能好和無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，被廣泛用作移動(dòng)便攜式裝備的核心儲(chǔ)能裝置[1-2]。在無人飛機(jī)等一些特殊設(shè)備中，在需要更多的儲(chǔ)能來保證更長時(shí)間的野外作業(yè)時(shí)，必須采用鋰電池組作為儲(chǔ)能裝置。在鋰電池組的充電和放電過程中，需要考慮電壓均衡性、充電快速性等問題[3-7]。目前，人們除了研究鋰電池的工作狀態(tài)參數(shù)外，還研究精確估算電荷狀態(tài)(state of charge,SOC)、電池健康狀態(tài)(state of health,SOH)、通信、電池故障等問題[8-11]。隨著綠色能源計(jì)劃的推進(jìn)，我國對(duì)動(dòng)力蓄電池的發(fā)展極為重視。電池組的均衡技術(shù)、管理系統(tǒng)軟硬件的優(yōu)化、充電時(shí)間有效縮短等問題仍是亟待解決的技術(shù)難題和研究熱點(diǎn)[12-13]。

在目前的一些設(shè)計(jì)中，利用插件結(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)充電和串聯(lián)放電的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)充電電壓均衡和恒流控制。串聯(lián)使用又可以獲得較高的供電電壓[14]。但這種方式存在一些不足，首先，插件結(jié)構(gòu)在長期使用過程中會(huì)因磨損、生銹而產(chǎn)生較大的接觸電阻，影響電池的有效使用。其次，插件結(jié)構(gòu)給電池的安裝和替換造成不便。為了避免這些問題，目前許多場(chǎng)合要求使用固定結(jié)構(gòu)的串接鋰電池組，在充電和使用過程中不允許拆分。

針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的鋰電池組，如果要實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池的并行可控充電，就需設(shè)計(jì)合理的硬件拓?fù)浜涂刂品椒ā１疚膹娜绾慰s短充電時(shí)間、保證電池安全、提高充電效率考慮，為這種固定串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池設(shè)計(jì)了一種多節(jié)電池并行充電系統(tǒng)。由嵌入式處理器STM32為主控制器，六路獨(dú)立反激變換器為硬件拓?fù)洌瓿闪讼鄳?yīng)的控制策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)六節(jié)電池固定串聯(lián)的電池組并行、單獨(dú)分階段恒流充電[15]。

此外，可以在充電過程中進(jìn)行智能控制，保證電壓的均衡性和充電安全性[16]。

1并行充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用六路反激變換器輸入端與輸出端級(jí)聯(lián)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，在STM32的控制下為六組串聯(lián)鋰電池組并行充電。

1.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示。基于STM32的鋰電子組并行充電系統(tǒng)由輸入直流電源、六路級(jí)聯(lián)反激變換器、六節(jié)鋰電池組以及STM32系列微控制器組成。

圖1　系統(tǒng)組成示意圖

STM32微控制器通過對(duì)輸入端電壓以及每節(jié)鋰電池端電壓的分析，結(jié)合相應(yīng)的硬件拓?fù)潆娐泛秃线m的控制策略，給出六路PWM控制波形，分別控制六路級(jí)聯(lián)反激變換器每一路的開關(guān)斷開與閉合。

1.2充電系統(tǒng)主電路

1.2.1反激變換器的設(shè)計(jì)

根據(jù)電池組的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)以及要求的充電方式，提出一種如圖2所示的六路級(jí)聯(lián)的反激變換器拓?fù)潆娐贰＠迷撾娐罚梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)六節(jié)串聯(lián)鋰電池組的并行充電。

圖2　六路級(jí)聯(lián)的反激變換器拓?fù)潆娐?/p>

高頻變壓器作為反激變換器的核心,它的輸入電壓為18～48 V直流電源。為了在輸入電壓最低時(shí)，也能使得變壓器耦合到次級(jí)的電壓大于電池額定端電壓與二極管壓降之和，則有：

(1)

式中：Uomax為單節(jié)電池額定電壓;UD為二極管導(dǎo)通壓降;n為高頻變壓器初級(jí)匝數(shù)與次級(jí)匝數(shù)之比。當(dāng)電池端電壓達(dá)到最大值，即Uomax=4.2 V、UD=0.3 V時(shí)，由式(1)可知，n≤4,取整匝比為4[17-19]。在本設(shè)計(jì)中，輸出電壓不是恒定量，而輸出電流是可設(shè)定的恒定值，電壓變比只要滿足極端情形即可。

由反激變換器工作在DCM模式下的工作原理，可推導(dǎo)出變壓器初級(jí)平均電流為：

(2)

式中：D為開關(guān)導(dǎo)通的占空比;UI為輸入電壓;T為開關(guān)周期;L為變壓器初級(jí)電感量。

當(dāng)D=0.35、T=20 μs、Iavg=1 A、UI=18 V時(shí)，由式(2)求得臨界電感最大值為22.05 μH。為了進(jìn)一步滿足其在DCM模式下工作的要求，實(shí)際應(yīng)用中取20 μH,每一路變壓器輸出功率為12.6 W，且開關(guān)周期為20 μs。所以，選擇TDK公司的EFD25磁芯骨架。

圖2中的輸出濾波電容起到了吸收高頻尖峰的作用，改善了副邊電壓波形，從而進(jìn)一步改善了開關(guān)波形，降低了開關(guān)損耗。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較可知，濾波電容取220 μF較為合適。

1.2.2采樣電路設(shè)計(jì)

由于STM32微控制器要根據(jù)輸入電壓和每節(jié)鋰電池的端電壓來輸出PWM方波，且采樣電壓值必須在單片機(jī)的采樣輸入范圍內(nèi)。因此，需要設(shè)計(jì)合適的采樣電路。本系統(tǒng)的采樣電路如圖3所示。

圖3　采樣電路

通過采樣每一節(jié)電池的正極端對(duì)地電壓Ui，則可通過Ui-Ui-1來得到第i節(jié)鋰電池的端電壓，即每節(jié)電池端電壓可表示為：

ΔUi=Ui-Ui-1

(4)

(5)

(6)

同樣可以得到輸入電壓為：

(7)

1.3系統(tǒng)仿真

利用Saber進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，沒有相應(yīng)可充電鋰電池模型。為了方便仿真，僅從儲(chǔ)存電量的角度考慮，充電電池使用與鋰電池容量呈一定比例的六節(jié)1 F電容代替。變壓器原邊電感20 μH,匝比為4∶1，開關(guān)頻率為50 kHz，輸入電壓取40 V，占空比為0.128 5，并使充電電路工作在DCM模式下。充電過程如圖4所示。

圖4　充電過程仿真圖

仿真表明，充電時(shí)間和計(jì)算數(shù)據(jù)相吻合，充電時(shí)間為1.28 s，充電電壓達(dá)到6×4.2=25.2 V。與容量為5 Ah/25.2 V的鋰電池組相當(dāng)?shù)碾娙萑萘繛? 428 F/25.2 V，則充電時(shí)間為1.28×1 428×6=10 967 s，也就是3 h。在本仿真中，充電起始電壓為0 V，在實(shí)際鋰電池充電中，充電起始電壓大于2.5 V。因此，實(shí)際充電時(shí)間小于3 h，可實(shí)現(xiàn)快速充電。仿真結(jié)果驗(yàn)證了硬件結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)越性。

2充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)分階段恒流并行充電的要求，本系統(tǒng)采用STM32作為控制器，對(duì)輸入電壓和各節(jié)電池的瞬時(shí)端電壓進(jìn)行采樣，輸出合適的PWM波控制各路主開關(guān)，以獲得期望的充電電流。

2.1控制策略的設(shè)計(jì)

根據(jù)不連續(xù)導(dǎo)電模式反激變換器的工作原理，變壓器原邊和副邊的瞬時(shí)電流和峰值電流可以用以下表達(dá)式表示[19]：

(8)

(9)

(10)

(11)

IP2=nIP1

(12)

式中:iL1(t)、iL2(t)分別為變壓器原邊和副邊瞬時(shí)電流；Ip1、Ip2分別為原邊和副邊峰值電流；D1為主開關(guān)導(dǎo)通占空比，D2為充電占空比；L1、L2分別為原邊和副邊電感值；UI為輸入電壓，U0為一節(jié)鋰電池的瞬時(shí)端電壓，UD為整流二極管的結(jié)壓差；T為主開關(guān)工作周期;n為變壓器原副邊匝數(shù)比。

恒流充電的電流值等于反激變換器副邊電流的平均值。假設(shè)需要輸出的恒定電流為I0，則有：

(13)

把式(9)～式(12)代入式 (13)，可得：

(14)

由高頻變壓器特性可知，原副邊電感和匝比的關(guān)系為：

L1=n2L2

(15)

由式(10)、式(12)和式(15)，可推導(dǎo)出D1和D2的關(guān)系式為：

(16)

把式(15)～式(16)代入式(14)并整理，可以得到在充電過程中任意時(shí)刻所需的控制主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的占空比為：

(17)

在充電過程中，高頻變壓器初級(jí)電感值L1和開關(guān)周期T是常量，UD也可近似看作常量，充電電流Io是各個(gè)階段的可控目標(biāo)值。因此，只要實(shí)時(shí)采樣輸入電壓UI和電池端電壓Uo，就可以根據(jù)式(17)來獲得所需占空比。

2.2軟件程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選取STM32F103RCT6作為主控制芯片，該芯片集成了ADC、DMA、TIM、GPIO等豐富的外設(shè)功能。配置好系統(tǒng)時(shí)鐘和各個(gè)外設(shè)后，主函數(shù)的程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先采樣單節(jié)電池電壓，判斷電池是否有故障。如果沒有故障，則充電繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)單節(jié)電池電壓達(dá)到4.2 V時(shí)，結(jié)束此節(jié)電池的充電；當(dāng)電池組全部充滿時(shí)，切換為末尾小電流充電，直到充電結(jié)束。

圖5　程序流程圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上文所提出的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)，制作了幾套六電池串聯(lián)組的并行充電系統(tǒng)，下載了按照所提出的控制策略設(shè)計(jì)的控制程序。測(cè)試時(shí)，輸入電壓范圍為18～48 V，輸出電流為3 A，為31.2 A的鋰電池組并行充電。測(cè)得系統(tǒng)開關(guān)工作波形如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)開關(guān)工作波形圖

測(cè)試時(shí)的輸入電壓為40 V，工作頻率為50 kHz，高頻變壓器的原邊電感為20 μH。測(cè)得此時(shí)的輸出占空比為12.82%，而根據(jù)式(16)計(jì)算得到的占空比為12.85%，實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算基本相符。由開關(guān)管漏極波形可以看出，充電系統(tǒng)工作在DCM模式下，符合控制策略的工作條件，進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的正確性。

使用所設(shè)計(jì)的充電樣機(jī)為初始電壓為3.7 V的鋰電池組成的電池組充電,測(cè)得電池組初始電壓為22.6 V,充到25.2 V目標(biāo)電壓停止充電。

充電過程測(cè)試示意圖，如圖7所示。

圖7　充電過程測(cè)試示意圖

圖7中，峰值點(diǎn)坐標(biāo)記為A，依次后續(xù)點(diǎn)記為B、C、D、E。A點(diǎn)到B點(diǎn)有所下降的原因是隨著充電的結(jié)束，各節(jié)電池端的浮充電壓的下降要大于充電電壓引起的電壓升高；當(dāng)充滿電的電池端的浮充電壓下降速度小于充電速度時(shí)，又出現(xiàn)從B到C點(diǎn)的電壓回升；到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，所有的電池均已充滿，此時(shí)以小電流100mA繼續(xù)充電5min。從C點(diǎn)到D點(diǎn)可以看出，此時(shí)的充電速度已經(jīng)小于浮充電壓的下降速度，因此表現(xiàn)為整體電壓有所下降；到達(dá)E點(diǎn)時(shí)，充電機(jī)已完成充電，所有的浮充電壓均已消失，并且達(dá)到25.206V，所以從C點(diǎn)到E點(diǎn)為浮充電壓逐漸消失的過程。本次試驗(yàn)對(duì)鋰電池組從3.7 V充到4.2 V歷時(shí)2 h。

對(duì)于不同輸入電壓，相同充電電流及電池端電壓時(shí)的理論占空比和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)占空比對(duì)比如表1所示。實(shí)驗(yàn)中，充電電流為3 A，Uo+UD為4.2 V。表1的數(shù)據(jù)表明，實(shí)際充電過程與理論設(shè)計(jì)基本相符。

表1　占空比對(duì)比表

4結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32控制的并行充電系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和控制策略，完成了硬件制作和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)串聯(lián)固定結(jié)構(gòu)的鋰電池組的并行充電，有效縮短了鋰電池組的充電時(shí)間，并在充電過程中實(shí)現(xiàn)了電壓均衡性和過壓保護(hù)。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)更多的智能管理。

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Design of the Parallel Charging System Based on STM32 for Lithium Battery Pack

Abstract：As a new type of environmentally friendly energy storage device,the battery pack of lithium batteries in series has been widely used in robotics,unmanned aerial vehicles.To shorten the charging time of battery,and ensure the equilibrium of battery voltage,and improve the efficiency and reliability of the charging system,the parallel charging circuit based on multiple output flyback converter controlled by STM32 is designed to achieve constant current charging and protecting separately for each battery in series battery pack.The duty ratio control method based on flyback converter working in discontinuous conduction mode is proposed,and corresponding theoretical analysis,computerized simulation,programming and experimental verification are accomplished.The results of simulation and experiment show that the parallel charging system effectively shortens the charging time for the Lithium battery pack,and implements the functions of voltage equilibrium and overvoltage protection in charging process.

Keywords:Lithium battery packFlyback converterEmbedded processorIntelligent controlConstant currentSTM32PWMParallel charging

中圖分類號(hào)：TH86;TP368

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605011

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51277149)。

修改稿收到日期：2015-10-13。

第一作者程紅麗(1966- )女，1989年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)無線電工程系，獲學(xué)士學(xué)位，教授；主要從事微電子學(xué)及電路與系統(tǒng)方向的研究。