（上海海事大学 201306）
摘要：现阶段中小功率锂电池充电产品密集，但在大功率充电器上，性能可靠稳定的产品却相对不足，针对这种情况，设计了基于STM32F103嵌入式处理器的大功率锂电池充电器，本文阐述了充电器的硬件电路结构、工作原理及软件程序设计。该充电器通过LM258运放芯片采样电压值，采用电流互感器采样充电电流。由STM32输出PWM信号，用以控制DC-DC变换器工作和锂电池充电过程，从而实现锂电池充电器的数字化和智能化。实验采用经典的三段式充电方法，安全可靠，能够满足锂电池高效快速充电的要求。
关键字：STM32大功率锂电池数字化智能化充电器
0 引言
锂电池具有能量密度大，循环充电次数多，使用寿命长，安全环保，成本低廉等诸多优点，使得锂电池使用日益普遍。本实验中采用的锂电池类型为磷酸铁锂锂电池，由12节单体电池串联而成。磷酸铁锂锂电池具有容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性好、安全、工作温度范围宽、无毒、无污染等诸多优点。
为了满足对锂电池组单节电池的监测以及对锂电池过压、过流、欠压的保护，设计了保护板，通过采集12节单节电压，以及充/放电电流，在程序中设置保护值，超过设定值后会执行相应的保护，同时定时将电池状态通过串口转以太网模块发送给上位机。
1 充电器的硬件设计
锂电池充电器的硬件电路设计主要包括三个部分。分别是功率主电路、充电控制板、锂电池保护板。功率主电路由工频整流电路、开关全桥逆变电路、高频方波整流电路和BUCK电路组成。控制板主要由STM32控制器、电池端电压采样电路、充电电流采样电路等。保护板主要由STM32控制器、13路运放电路分别对12节单体电池采样以及对充/放电电流的采样等。
1.1功率主电路
功率主电路拓扑如图1.1所示。
由于要实现锂电池先恒流充电，到40V电压平台执行恒压充电的控制方式。特设计以下电路拓扑(AC-DC-AC-DC-DC)。
首先，工频交流电通过二极管整流桥和电容之后得到平稳的直流电。
然后，STM32控制器输出带死区的互补PWM驱动信号，经过IGBT驱动板之后，直接驱动开关管，使开关管开通或关断。全桥输出是两路互补的方波电压，方波电压通过带中心抽头变压器，得到低幅值的方波电压，然后通过D5、D6两个二极管整流，通过电容滤波的到平整的直流。最后，经由BUCK电路，通过控制BUCK电路开关管占空比，实现闭环控制，来控制恒流和恒压的稳定输出。
将电池正极接Vi引脚，电池负极接GND引脚，通过U1运放电路，选定合适的R1和R2的阻值，得到合适的电压输出值。U1的输出电压经过R3、C1组成的RC滤波电路滤除高频干扰，而后通过U2构成的电压保持器，再经过一级RC滤波电路，将输出电压接入STM32的AD引脚，采样电池电压。
电流采样是用电流互感器采样的。电流互感器是将电流信号通过互感器转化为电压信号，为了获得平整的采样信号，同样将电流互感器的输出电压信号接入与电压采样电路相同的运放电路中，将输出接入STM32的其他AD端口。
STM32控制器主要用来输出三路PWM。两路极性互补带死区的PWM控制开关全桥，另外一路控制BUCK开关管，根据采样的电压值或电流值，与给定值比较，控制PWM占空比，从而实现恒压或恒流。
1.3 充电保护板
充电保护板同样使用了图1.2所示的电压，电流采样电路，来获得稳定的采样信号。值得说明的是，与保护板相连接的电流互感器是双向电流互感器，因此可以用来采样充电电流或者放电电流，起到保护锂电池作用。保护板上除了13路运放采样电路外，最主要的就是RS232串口芯片设计的串口收发电路。利用STM32定时器和USART功能，实现电池状态的定时发送，发送内容包括一节总电压，12节单体电压，充/放电电流值，电池状态。
与保护板连接的还有一个断路器，保护板为了起到保护作用，当过压、过流或者因过放电造成欠压之后，STM32控制器驱动功率芯片，放大STM32输出的IO信号来控制断路器关断，确保电压充电不高于40.5V，放电不低于28V，从而起到保护电池的作用。
2 程序设计
程序流程图如图2.1所示。
开机之后，检测电压电压，如果满足充电条件，则开始为锂电池充电，否则停止充电。根据检测到的充电电压值，选择不同的充电阶段。
4 结束语
实验证明了基于STM32控制器设计的大功率锂电池组充电可靠，运行良好，能够获得满意的充电效果。
本次设计的充电器具有以下优点：硬件电路和软件电路相结合，采用PI数字控制技术，大大提高了系统的稳定性及可靠性；实现与上位机的通信，可以实时的检测单节电压，充电电流，充电状态，使整个充电过程更直观，更透明化。
参考文献
[1]周志敏，周记海，记爱华.充电器电路设计与应用.北京：人民邮政出版社，2005.139—162.
[2]沙占友.新型开关电源电源的设计与应用.北京：电子工业出版社，2001,71-79.
[3]赵小珍，甄国涌，文丰，一种锂离子智能充电器的设计与实现.微计算机信息.2008,1-2.
[4]田进，基于MCU的智能充电控制器的设计与应用.
陈鸣，作为锂电池充电器的开关电源的设计与研制,西安：电子科技大学.
[5]王兆安，黄俊.电力电子技术，北京：机械工业出版社.
[6]张英梅，傅仕，STM32的智能温室控制系统.
[7]安培磷酸铁锂电池充电器集成电路CN3060.深圳市科韵达电子有限公司.2007.
[8]李宏，王崇武，现代电力电子技术基础，北京：机械工业出版社.
[9]徐德鸿，马皓，电力电子技术，北京：科学出版社
论文作者:王铭森,耿攀,邓宝昌
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/29
标签：锂电池论文; 电压论文; 电路论文; 电流论文; 充电器论文; 电池论文; 控制器论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;