锂离子电池充放电平衡系统的设计与实现全解

锂离子电池充放电平衡系统的设计与实现
专业：电子信息工程学号：201203044052
姓名：夏雨雷指导老师：邓华军
摘要
随着集成电路的迅速发展，各种电子产品都在朝着便携和小型轻量化的方向发展。

供电系统也发生了巨大的变化，由原来笨重的其他材料型电池改为锂离子电池供电。

锂离子电池体积小、质量轻、污染小、利用效益高。

对充放电控制系统有严格的要求，故拥有一款性能良好的充放电平衡系统非常重要，本设计以STC12C5A60S2为主控核心，利用PI算法控制充电过程中电流动态平衡，系统由显示电路、保护电路、电压采样电路组成。

实现对锂离子充放电控制基本功能，提出设计思想和系统结构。

系统可靠性好，实用性强，可作为于各种小型电子设备的充放电装置。

关键词：锂电池STC12C5A60S2 PI算法采样电路电流动态平衡
Design and implementation of the charging and discharging balance
system for lithium ion battery
With the rapid development of integrated circuits, all kinds of electronic products are moving in the direction of portable and small lightweight. Great changes have also occurred in the power supply system, which changed from the original bulky other materials to the lithium-ion battery power supply.
Lithium ion battery has the advantages of small size, light weight, low pollution and high efficiency. It has strict demand on charging and discharging control system, so it has a good performance of charge and discharge balance system is very important. This design is based on STC12C5A60S2 as the control core, PI algorithm is adopted to control the charging process in the current dynamic balance, the system consists of a display circuit, a protection circuit, a voltage sampling circuit. To achieve the basic functions of lithium ion charge and discharge control, puts forward the design idea and system structure. The system has good reliability, strong practicability, charging and discharging device can be used as small electronic devices in various.
Key words: Lithium-ion battery STC12C5A60S2 The indicator light circuit The liquid crystal display circuit Protection circuit
目录
1绪论 (1)
1.1课题研究的背景 (1)
1.2课题研究的意义 (1)
1.3课题的国内外研究现状 (1)
1.3.1国内研究现状 (1)
1.3.2国外研究现状 (2)
1.4课题研究的主要内容 (2)
2整体设计方案 (3)
2.1 BUCK降压电路选择 (3)
2.2电流控制选择 (3)
2.3总设计系统框架图 (4)
3硬件电路设计 (5)
3.1系统供电电路 (5)
3.2 BUCK电路设计 (5)
3.3输出电压和动态电流平衡设计 (6)
3.3.1输出电压电路设计 (6)
3.3.2动态电流电路平衡设计 (6)
3.4控制电路和显示电路设计 (7)
3.4.1控制电路设计 (7)
3.4.2显示电路设计 (8)
3.5充电方式选择电路设计 (9)
3.6系统保护电路设计 (10)
3.6.1充电过温保护设计 (10)
3.6.2充电过压保护电路设计 (11)
3.6.3放电保护设计 (12)
4软件程序设计与实现 (13)
4.1软件设计流程 (13)
4.2 PI控制原理和PI函数 (14)
4.2.1 PI控制原理 (14)
4.2.2 PI控制函数 (15)
5系统测试 (17)
5.1主要测试仪器仪表 (17)
5.2测试方法 (17)
5.3测试结果分析 (18)
6结论 (19)
参考文献 (20)
致谢 (21)
附录 (22)
1绪论
1.1课题研究的背景
锂离子电池是二次能源，具有质量轻、体积小、无污染、放电能力强等优点，是20世纪动力能源的首选，广泛应用在各个领域，如航天供电系统、医疗供电系统、民用电子产品中，最典型的是手机供电系统。

目前中国鼓励大众创业，万众创新，在珠三角以及沿海一带，崛起许多以锂离子二次能源为创新发展的厂商，力图进军锂离子的研发，打造具有中国自主品牌的高性能锂离子电池。

锂离子电池的性能与充放电装置有关，其性能取决于充放电装置系统，鉴于此，本文围绕锂离子电池组充放电特性。

设计一款功能完善的充放电装置系统。

1.2课题研究的意义
日异月新的科技变化，许多电子产品都朝着集成化方向发展。

供电方式也随之改变，转为体积小、质量轻、放电能力强的锂电池供电。

锂离子电池组对充放电装置要求苛刻，充放电装置必须有较高自动控制精度。

另外，锂离子电池由于过放，电压较低，充电时需进行预充，电压升高后，才能采用恒压恒流充电，充电完成后，为防止过充，系统必须自动判断，并断开充电电路保护电池。

锂离子电池组充放电平衡系统装置是电池能量的补充装置，关系到锂离子电池组的使用寿命和指标，设计一款性能优良的充放电装置意义深远，故实现安全高效充放电控制已成为锂离子电池组推广应用的关键技术。

1.3课题的国内外研究现状
1.3.1国内研究现状
自锂离子电池问世以来，锂离子电池能量补充装置应运而生，国内锂离子电池充放电装置种类繁多，然而国家监督产品质量抽查结果中，40％厂家生产的锂离子电池能量补充装置不合格。

有的就是一个简易变压器，缺少保护电路等，使用中易损坏电池。

随着小型化电子设备的发展，许多厂家提出以涓流和恒流为主方式充电，进行技术改良，不但提高充电效益，且在保护机制上实现过充保护、过流保护、过温保护等功能。

2008年，联想公司研发的锂离子电池管理芯片，进一步推动锂离子充电器的技术革新，该电池管理芯片功能齐全，适合市场上大部分锂离子电池，被许多生产充电器的厂家使用，如宏碁笔记本使用的充电器就使用该芯片作为核心控制。

2010年，芝嘉电源公司研发的锂离子电池充电平衡装置，突破锂电池充电过程中的短板，结合涓流充电和恒流充电，根据不同锂电池自动调整充电电流和充电电压[1]。

但使用开关元器件，电路工作中温度过高，降低了充电效益，2012年，航嘉电源公司利用二次回流充电方式，设计出一款充电效益高的锂离子电池充电器，充电效益为60%。

1.3.2国外研究现状
1990年日加公司为索尼公司研发的F707型数码相机锂离子充电装置，采用并联恒流快充方式，由于采用并联方式充电，内阻比采用串联充电小，能快速进行能量补充，但锂离子电池由于个体存在差异，采取并联充电方式，会降低电池使用寿命。

1995年松下、三洋、汤浅、美国等电源研发公司先后研发了不同类型的锂离子电池充放电装置，均取得了一定效果。

法国SAFT公司是著名的锂离子电池生产厂商之一，麦克斯先生是该公司的领军人物，他提出了锂离子电池充电重点在于电流动态平衡，强调不同电池组之间千差万别，充电方式也截然不同，简单的充电方式无法满足锂离子电池，在他的带领下，SAFT公司研发了一款快速的充电平衡装置，采用智能脉冲法循环充电，2014年日本索尼公司电源研发人员松田山野，利用麦克斯这一原理，研发了针对串联法充电的锂离子动态平衡充电装置，并且在充电通路中，串联一个电感量高的电感，串联电感后使电流具有暂态效应，利用电流互补达到动态平衡，防止因大电流损坏电池。

总之，国内外研发和生产锂离子电池充放电装置都有各自的优缺点，本设计在汲取国内外经验的同时，重点对锂离子电池动态电流平衡充电法进行研究，设计一款性能稳定功能齐全的锂离子电池充放电装置系统。

1.4课题研究的主要内容
综合考虑锂离子电池安全充电及成本，以STC12C5A60S2为控制核心，LM2576-ADJ 构成BUCK降压变换电路，使用INA168时时检测充电电流，利用精准的PI算法程序动态控制充电电流，有效克服锂离子电池充过充、过流、充电效率低等缺点，且系统具有过温、过放等功能，当锂离子电池温度为45℃时，发出报警声停止充电，电池组放电到设定极限值时，系统自动保护电池，停止对负载供电，系统能对不同锂离子电池组组充电，用户只需选择对应的充电按钮，就能对不同的电池组充电。

2整体设计方案
2.1 BUCK降压电路选择
方案一：以LM2576-ADJ集成电源芯片组成BUCK型电路恒流控制系统。

结构简单，且输出电压稳定可调。

方案二：由普通的场效应管组成降压电路，调节占空比宽度，调节电流大小。

方案比较：方案一LM2576-ADJ集成电源芯片，直接构成BUCK电路，电路设计简单，电流容易控制和工作稳定，短时间内容易完成。

方案二由场效应管构成的BUCK电路，还需加外部驱动电路，占空比要求严格，难度较大，短时间内不易完成。

综合比较，选择方案一。

2.2电流控制选择
方案一：采用STC12C5A60S2自带的两路AD转换器采集采样电阻两端电压值，与设定好的电压值比较，判断比较结果，编程控制单片机对输出电流补偿，最终恒流输出。

方案二：运用INA168检测采样电阻电流大小，由STC12C5A60S2完成转换AD转换。

方案比较：方案一，采样电阻两端电压太小，AD采样检测电流不准确，普通的补偿控制达不到系统设计要求。

方案二使用INA168检测电流，利用PI 算法使充电过程中电流动态平衡，整个系统的可靠性得到提高，优于其他方法，故选择方案二。

2.3总设计系统框架图
0至32V 的直流电源输入后，一部分降压为5V ，为控制系统供电，另一部分由LM2576-ADJ 构成BUCK 降压电路，当锂离子电池充电温度超过设定值时，开启保护电路，单片机通过PI 算法时时检测充电电流，总设计系统框架如图2-1所示：
图2-1 总设计系统框架
是
否 由LM2576-ADJ 集成元件
构成BUCK 降压电路 STC12C5A60S2
过压过温检测
LCD1602液晶显示
输出电压电流检测
0 V ～36V 直流电源
5 V 电源
开启保护电路 断开保护电路
3硬件电路设计
3.1系统供电电路
STC12C5A60S2和液晶屏供电电压为5V，采用传统三端稳压方式，选择LM7805进行稳压输出，对范围为5-36V的电压进行稳压，输出电压为5V，电容C4容量为0.1uf，耐压值为10V，能滤除纹波干扰。

如图3-1所示：
图3-1 系统供电电路
3.2 BUCK电路设计
BUCK降压电路的构成如下图所示3-2所示：
图3-2 BUCK降压电路
（1）输入电容C5
电容C5选择铝电解电容，PCB布线时为减少电磁干，要靠近LM2576-ADJ芯片，且使用短引线。

vin输入电压10 V—25 V，理论计算选取1000 uF/50 V的电解电容。

（2）续流二极管D2
理论上二极管流过的电流必须大于1.2倍的最大负载电流，LM2576-ADJ能够承受
连续输出短路，故二极管的反向电压等级至少为 1.5倍的最大输入电压，选择INA5822。

（3）电感L
查阅LM2576-ADJ芯片手册选择150uH的工字形电感。

当选择150uH电感时，LM2576-ADJ发挥最佳功能。

电路输出最大电流1A，电压8.4V，最大功率8.4W，电路有热损耗，电路总输出效益不低于70%。

3.3输出电压和动态电流平衡设计
3.3.1输出电压电路设计
vout端串联R10和R11两个100KΩ电阻，分压后经AD2送至送单片机P1.4，利用单片机自带的AD转换器进行模数转换，在LCD1602显示输出电压，电压采样电路如图3-3所示：
图3-3 输出电压电路
3.3.2动态电流电路平衡设计
（1）由Is=Vs/Rs可知，控制采样电阻R12两端电压，就能控制输出电流大小，且R1、同向放大器OPA2134A、LM2576-ADJ构成反馈电路，OPA2134A的反馈端口第二引脚和第一引脚分别和可编程数字电位器TPL0501的第一引脚和第二引脚相连，TPL0501相当于同相放大器的反馈电阻，R12阻值为0.05Ω的贴片电阻。

（2）INA168是专用的电流检测芯片，供电电压5V，具有电流检测范围广、测量精准、功耗低等优点，系统设计利用INA168检测充电电流，电流由AD1反馈到STC12C5A60S2第三引脚，即P1^2端口，利用单片机自带的AD转换器进行模数转换，并与PI算法编程进行比较，单片机自动调整编程控制数字电位器TPL0501，改变接入电路反馈阻值，实现充电电流动态平衡输出，对应电流显示在LCD1602上，电路
如图3-4所示：
图3-4 动态电流电路
3.4控制电路和显示电路设计
3.4.1控制电路设计
（1）主控模块
STC12C5A60S2是宏晶科技生产的51增强系列单片机，具有高速、低功耗、超强干扰、自带10位AD转换等优点[2]。

指令代码与51系列完全兼容，但处理速度比51快10倍，第18和19引脚接晶振振荡电路，第9引脚接复位电路，该单片机内部自带复位电路，但为了方便使用，外接复位电路，第20和40脚分别接电源地和VCC，引脚如图3-5所示：
图3-5 STC12C5A60S2引脚
（2）STC12C5A60S2复位电路
STC12C5A60S2复位电路由电容C3，电阻R1和微动开关组成，复位条件为第9脚保持高电平时间大于2个机器周期，rest持续大于2us高电平即可，电路中RC常数为10KΩ×10uf=10ms，满足复位条件，电容C3选择10 uF/20 V的电解电容，电阻R1选择10KΩ，电路如图3-6所示：
图3-6 复位电路
（3）石英晶体振荡电路
STC12C5A60S2工作频率为11.0592MHZ，理论上震荡频率越高，单片机运行速度越快，对存储器的速度要求也就越高。

STC12C5A60S2性能好坏，与CPU运算速度和存储器有关，选用6~12MHZ并联谐振电路对电容值没有严格要求，但会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速度等，晶振XTAL选择12MHZ石英晶体，C1和C2选择30pf陶瓷电容，电路如图3-7所示：
图3-7 石英晶体振荡电路
3.4.2显示电路设计
LCD1602为字符型液晶显示模块，常用16*1、16*2、20*2等类型，本设计选用16*1，供电为5V的液晶显示器。

控制第5引脚电平状态，可以对芯片进行读或写操作，第3引脚接入电位器，对背光进行调节，系统设计只对芯片进行写操作，第5引脚接地，即拉低此引脚电平，第3引脚接入10KΩ多圈可调电位器RW，D0至D7为数据
和命令传输端口。

电路设计如图3-8所示：
图3-8 LCD1602液晶显示电路
3.5充电方式选择电路设计
由于锂离子充电方式的多样性，系统设计可根据拔码开关位置对应电池种类，确定电池充满电的电压值，如果电池电压已经达到充满电的电压值，则使系统处于关断状态，液晶屏右上角显示“finish”，同时蜂鸣器发出断续的提示音；如果没有达到充满电的电压值，系统会输出一个相应的脉宽调制电压并通过光耦来控制MOS管的导通脉宽，将充电电流控制在合适的范围，并在右上角显示“charag**%”提示电池的充电程度；过流、过充和过温情况时则关闭PWM信号，同时蜂器发出连续的报警音，液晶屏上显示错误提示“E”,表一为对应的拔码开关所对应的不同锂离子电池组的充电电压，图3-9为拨码开关位置示意图：
表一不同电池组充电数据表
拔码开关位置电池类型最低充电电压最高充电电压
1 4.2v单体 2.85v 4.3v
2 2节串联电池组 5.7v 5.6v
3 3节串联电池组8v 7.9v
4 4节串联电池组11v 10.9v
图3-9 拨码开关位置示意
当系统检测到电池满足最低充电电压时，对相应电池充电并调整电流，电池充满电时，切断电路保护电池，相应电池达不到最低充电电压时，视为电池报废或者不可充电，充电方式选择电路如图3-10所示：
图3-10 充电方式选择电路
3.6系统保护电路设计 3.6.1充电过温保护设计
锂离子电池充电过程中，由于自身存在内阻，部分能量变为热损耗，导致电池温度升高，若不采取保护措施，会损坏电池。

过温电路由DS18B20组成，该温度传感器具有占用资源少、采用单线通信、误差较小等优点。

DS18B20接收数据时，I/O 为高电阻输入，发送数据时I/O 为高漏输出，故需接入上拉电阻，上拉电阻R3的阻值为4.7K Ω，数据端口和单片机控制端口连接，电路如图3-11所示：
单体电池
2节电池组
3节电池组组
4节电池组
图3-11 DS18B20传感器电路
锂离子电池温度超过45℃，蜂鸣器发出报警声，Q2在电路中具有电流放大作用，基级电阻R4和R5为1KΩ，Q2的放大倍数β为120，放大电流值足够驱动蜂鸣器发声，单片机P1^0端口电平发生跳变，输出低点平，驱动三极管Q1工作，LM2576-ADJ控制端口ON/OF从低电平拉高，关闭整个系统，电路如图3-12所示：
图3-12 过温保护电路
3.6.2充电过压保护电路设计
LM339N和74LS04以及1N4738组成过压保护电路。

LM399N同相端电压超过设定值时，电路产生控制信号传送到或门电路，或门电路输出脉冲信号，送至控制电路输入端，控制电路由三极管组成共射极开关电路，发生电平的跳变，完成对LM2576-ADJ 开通和关断控制，电路如图3-13所示：
图3-13 过压保护电路
3.6.3放电保护设计
锂离子放电不是无限的，当放电低于极限电压值时，若继续放电就会损坏电池，系统设计放电保护功能，当电池放电过低时，系统自动切断负载，不在输出电流，从而保护电池。

LSP锂电池监测模块，是常用的电池放电管理模块，该模块使用OVC安时积分法，安时积分法计算锂电池容量非常准确，同时LSP锂电池监测模块还能显示电流、电压、电池温度，为锂离子使用提供了动态数据，时时反应锂电池的放电状态，图3-12为外形图，图3-14为LSP锂电池管理模块接线图：
图3-14 LSP锂电池管理模块
图3-15 LSP锂电池管理模块接线
4软件程序设计与实现
4.1软件设计流程
程序编写须具有简洁、直观、可读性强、代码执行效益高等特点，系统程序设计分为主函数和其他子函数，子函数又分为PI算法控制程序、LCD1602液晶显示函数、蜂鸣器报警函数、DS18B20温度传感器函数。

在主函数中调用对应的子函数，就能实现对应的功能，更方便程序模块化调试和代码书写，程序总流程如图4-1所示：
图4-1 程序总流程
4.2 PI控制原理和PI函数
4.2.1 PI控制原理
工业设计中，PI算法常被使用，特别是反馈电路中，PI控制包括比例调节和积分调节。

比例调节：按照比例变化反应系统偏差，当系统出现偏差时，通过比例调节，补偿系统偏差[3]。

积分调节：按照积分变化反应系统偏差，积分调节由PI调节器或PID调节器组成，PID算法形式结构如图4-2所示。

图4-2 PID算法形式结构
通过PI控制比例算法，使控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。

除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差[4]。

当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。

但是比例控制不能消除稳态误差，比例放大系数的加大会引起系统的不稳定[5]，响应曲线图如图4-3所示：
图4-3 比例(P)控制阶跃响应曲线
积分控制中，控制器的输出与输入误差信号成积分成正比关系，为了减小稳态误差，
在控制器中加入积分项，积分项的误差取决于时间的积分，随着时间的增加积分项会增大[6]。

这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零[7]。

积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕下降[7]，响应曲线图如图4-4所示：
图4-4 积分(I)控制和比例积分(PI)控制阶跃相应曲线
为了确定过程的临界周期Pc和临界增益Kc，控制器会临时使它的PI算法失效，取而代之的是一个ON/OFF的继电器来让过程变为振荡[8]。

这两个参数很好的将过程行为进行了量化以决定PID控制器应该如何调整来得到理想的闭合回路性能[9]。

4.2.2 PI控制函数
由STC12C5A60S2组成的数字控制系统控制中，单片机通过PI算法，把控制量反馈回控制源，PI控制函数如下[10]：
ypedef struct PI
{
double SetPoint; // 定义一个双精度的变量Desired value
double Proportion; // 比例常数Proportional Const变量
double Integral;// 积分常数Integral Const变量
double LastError;// Error[-1]
double PrevError; // Error[-2]
double SumError; // Sums of Errors
}
double PICalc( PI *pp, double NextPoint ) //PI计算函数{
double dError, Error;
Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差
pp->SumError += Error; // 积分
pp->PrevError = pp->LastError;
pp->LastError = Error;
return (pp->Proportion * Error // 比例项
+ pp->Integral * pp->SumError // 积分项
}
void PIInit (PI *pp) //PI参数初始化函数
{
memset ( pp,0,sizeof(PI));
}
5系统测试
5.1主要测试仪器仪表
表二测试仪器、仪表
仪器型号精度厂商滑动变阻器Bx7-14 0.05% 上海电器厂
示波器UTD2102CEL 3%
学生电源SS1710 +0.1%
数字万用表FLUKE 17dB 美国
毫安表1N470 上海电器厂
5.2测试方法
使用可调式直流稳压电源、数字万用表、滑动变阻器、示波器等进行调试。

改变滑动变阻器阻值，用数字万用表测量输出电压，毫伏表测电流，对测得的数据进行比较和计算，得出每组数据对应的电源工作效益。

当电池饱满时，接上负载（可变电阻器），监测电路当前流过电池的电流、以及当前电压、保守估计电池可放电时间、当放电到达设定的放电最低截止电压以及电流过载时，电路自动保护，切断对负载供电，从而保护锂电池，测试数据表格如表三和表四所示,表四为BUCK电路单独测试时的效益，即断开负载时候的BUCK电路变换效益。

表三参数记录及测试数据
实际电压显示电压实际电流显示电流输入电压总电流效率有用效率2V 2.1V 1A 1.1A 8V 1.5A 68% 65%
2.3V 2.6V 1.1A 1.2A 9V 1.6V 72% 71%
2.5V 2.7V 1.2A 1.4A 10V 1.7A 78% 74%
3V 3.6V 1.3A 1.6A 11V 1.8A 80% 76%
4V 3.7V 1.5A 1.7A 12V 0.9A 81% 78%
表四BUCK电路输出监测数据
输入电压输入电流输出电压输出电流输出功率效益36V 0.6A 5V 4A 20W 92.6%
36V 1.4A 12V 4A 48W 95.2%
36V 1.6A 18V 3A 54W 93.7%
36V 2.1A 24V 3A 72W 95.2%
5.3测试结果分析
测试数据表明，利用PI算法，动态电流保持在1A左右，充电效益比传统的充电方式提高，达到设计要求，BUCK电路效益明显也高于普通的可控硅BUCK电路。

6结论
本文围绕锂离子电池组充放电动态平衡进行设计，重点介绍了锂离子电池组的充电原理与充电方法、充电模块的设计思想和系统结构。

以STC12C5A60S2为控制核心，电路分为系统供电电路、BUCK电路、输出电压和动态电流平衡电路、系统保护电路等，实现锂电池动态平衡充电，保护机制和放电监测等基本功能
本次设计虽然完成了主要的任务，基本达到设计要求和目的，然而，由于本人能力有限，代码优化还需进一步改善，还需提高代码执行效益，电路工作也不稳定，发热量大，效益不理想，进一步研究可选取比STC12C5A60S2处理速度更快的芯片，如ARM11，从而提高整个系统的运行速度，降低整个系统功耗。

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致谢
论文设计期间，我不断向同学学习，虚心求教每一位资深的老师，并积极参加各种学术报告和研究，涉猎了大量的文献资料，给我设计论文理清了思路，打下了坚实基础，虽然很辛苦，但我的内心依然充满喜悦，徜徉在知识的海洋中，咀嚼那些令人兴奋的文字，乐此不疲。

在论文完成之际，心中充溢着无尽的快乐，但我也诚惶诚恐，须知知识是无穷尽的，马克思曾说，实践是检验真理的标准，需要事必躬亲，同时也很感谢对我关心的老师和同学，特别是指导老师，是他的孜孜不倦以及治学严谨的态度，让我如沐春风，给我出谋划策，最终毕业设计才能够顺利完成。

附录
PCB布线
实物作品。