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基于STM32的锂电池电量状态监测系统设计

2024-06-06 482 上传者：管理员

摘要：提出了一种基于STM32主控和INA226电流电压检测芯片的氢气燃料电池供电的24 V锂电池电量状态(SoC)监测系统。通过INA226芯片采集锂电池的内部数据，监视分流压降和总线电源电压，实现了对锂电池电量状态的精确监测。详细介绍了锂电池电量状态监测系统的总体设计方案，以及STM32主控和INA226监测模块的电路设计和程序设计。通过实验验证，该系统能够有效地监测锂电池的电量状态，为氢气燃料电池供电系统的稳定运行提供了可靠的保障。

关键词：
单片机
电池
电量控制
电量状态监测
锂电池
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随着社会和经济的快速发展，动力电池作为一种新型的能源形式逐渐进入人们的视野，并被广泛应用于各种领域。其中，锂电池作为动力电池在电动车中的应用尤为人们所熟知。然而，锂电池在实际使用过程中，电量控制成为了一个亟待解决的问题。在设备运行时，需要准确掌握电池中的剩余电量，并为接下来的工作作出预测。如果对电量的控制不精准，可能会影响设备的正常工作[1]。为了准确掌握电池剩余电量并预测其工作状态，确保设备的正常运行并提升用户体验，本文提出了一种基于STM32主控和INA226电流电压检测芯片的锂电池电量监测系统。该系统通过整合主控模块、电量状态监测模块、信号采集模块、显示模块、稳压模块和降压模块，实现了对锂电池电量的精准监测和高效管理，为电动车的稳定运行提供了有力保障。其信息传递流程图如图1所示。

图1 信息传递流程图

1、总体方案设计

为了监测锂电池的性能，需要对电池的电压、电流、温度以及容量等电性能和存储性能进行全面监测。本文提出的锂电池电量监测系统以STM32作为主控单元，单片机的供电直接从锂电池中采集，锂电池输出的24 V电压经过采用MP2338芯片的降压模块降压至5 V,为单片机提供稳定的5 V电源。锂电池监测模块则采用INA226芯片，该芯片能够采集共模总线电压，其监测范围可达036 V。在设计中，所选用的锂电池的最大输出功率不超过200 W,其电压最大值为24 V,符合INA226芯片的检测阈值。此外，该设计还特设了3.35 V稳压模块，以确保单片机的稳定供电。本设计主要面向自带充放电保护芯片的 24 V 锂电池。为了方便查看监测结果，该系统还配备了2.8英寸(7.112 cm)触摸屏作为用户界面显示单元。

2、硬件电路设计

2.1 主控模块

本系统的控制核心采用STM32F103VBT6微处理器，该芯片内置高性能的ARM Cortex_M3 32位RISC内核，工作频率为72 MHz。此外，它还配备了内置高速存储器以及丰富的增强I/O端口。其中：INA226芯片的SDA、SCL两引脚与微处理器相连，通过I2C通信协议将数据传入控制器；显示模块则通过与之对应的I/O接口与主控模块相连。在选择I/O接口时，因为INA226芯片通过I2C通信与单片机相连，所以特别选择了具有I2C功能的I/O接口与INA226信号接口相连。在供电方面，设计了5 V与3.3 V供电，其中锂电池输出的电压经过降压模块后与5 V供电口相连[2]。

2.2 降压模块

降压模块的设计是为了满足整机供电采用锂电池直接供电的方案。由于锂电池的输出电压为24 V且输出功率达到200 W,无法直接连接到单片机上，因而需要通过降压模块来实现电压的转换。为此，设计了24 V转5 V降压模块，选用了MP2338GTL-P芯片。该芯片是一款具有内部功率 MOSFET 的全集成高频同步整流降压开关变换器，能在宽输入范围内可实现 3 A 的连续输出电流，具有优异的负载和线性调整率。在宽输出电流负载范围内，MP2338采用同步模式工作以达到高效率，从而稳定实现24 V到5 V的电压转换，为单片机提供所需的5 V供电电源。图2展示了降压模块电路图。

图2 降压模块电路图

2.3 电量状态监测模块

在电量状态监测过程中，INA226芯片执行两次测量。图3展示了电量状态监测模块的电路图。

图3 电量状态监测模块电路图

当负载电流流经分流电阻器时，会产生一个分流电压，该电压在IN+和IN-引脚处测量。该器件还能够通过连接VBUS引脚来测量电源总线电压。差动分流电压是相对于IN引脚测量的，而总线电压则是相对于接地测量的。INA226芯片通常由一个单独的电源供电，其电压范围为2.75.5 V。被监测的总线电压范围则为036 V。

基于总线电压寄存器的固定值为1.25 mV,即最低有效位(LSB),满标度寄存器能够产生40.96 V的电压值。由于共模输入范围和电源电压是相互独立的，无需特别考虑电源排序问题；而总线电压可以在电源电压关闭的情况下进行测量。该模块首先进行两次测量，分别是分流电压和总线电压；然后会根据校准寄存器的值将这些测量值转换为电流值，并进一步计算功率[3]。

INA226芯片的一个显著特点是，它能够直接测量IN+和IN-输入引脚之间的差分电压，以及VBUS引脚上的电压，而无需额外进行电流或功率的测量。然而，为了从芯片中获得准确的电流和功率值，用户需要对电流寄存器的分辨率和应用中的分流电阻器值进行适当的编程，以便正确地反映输入引脚间的差分电压。为了计算电流和功率值，校准寄存器会按照式(1)进行校准。

I=CLSB / (IR×0.005) (1)

式中：I为总线电流校准值；CLSB为电流寄存器的LSB编程值，用于将电流寄存器的值转换为以A为单位的实际电流；IR为差分电流。

为了获得电流寄存器的最高分辨率，需要使用LSB的最小值，该值按式(2)计算。

CLSB_MIN=CLSB_MAX/215 (2)

式中：CLSB_MIN为最低有效位的最小值，CLSB_MAX为电流寄存器的LSB最大值。

以编程的方式获得适当的分辨率和分流电阻值，确保INA226芯片能够精确地计算和报告电路中的电流和功率，从而为电路的有效监测和精确控制提供了坚实基础，进一步保障了整个系统的稳定运行和性能优化[4]。

3、软件设计

软件设计方案需要精心构建，确保其与硬件电路设计紧密配合。除了核心的锂电池检测与处理模块、信息的处理与显示模块，以及低电量报警模块等多个关键环节以外，还应考虑系统的整体性能和稳定性。芯片INA226通过I2C与单片机进行通信，确保在采集过程中能够实时获取并读出当前的电压及电流值。主函数的设计思路如下。

首先进行系统初始化，然后不断监测锂电池的连接状态。一旦检测到锂电池接入，则进行下一步处理；若没有接入，则重新返回监测状态。在检测到锂电池接入后，系统将立即启动读取电池信息流程，并通过I2C与单片机进行通信，以确保数据的准确性和实时性，最终将结果显示出来。

由于此设计方案是针对燃料电池系统的，在系统运行期间需要加装低电量报警模块。该模块的作用是在锂电池电量过低时发出警报，有效避免系统因电量不足而意外中断，确保了系统的稳定运行。同时，这也是为后续燃料电池反应的顺利进行提供条件。软件流程图如图4所示。

图4 软件设计流程图

4、实验结果与讨论

STM32微处理器利用锂电池的放电曲线对数据进行分析[4]。实验数据是在1 A放电电流条件下获得的，放电容量的测试结果为4 739 mAh。在满电状态下，锂电池的电压为4.175 V,而放电截止电压被设定为2.8 V。在设定的条件下进行放电实验后，采集模块会获取数据。通过查找在锂电池放电图中的相应表格，基于锂电池的电压值，可以获得该锂电池的剩余电量信息。获得剩余电量后，模拟信号将被传送至模数模块器，将其转换为数字量。然后通过连接微处理器的显示模块，将数字量显示出来。

此外，本设计还设置了温度传感器，用于检测锂电池的温度。当锂电池充电过程中，如果温度过高，控制系统会停止锂电池的充电，以确保安全。锂电池电压与剩余电量的对应关系如下：4.0 V电压对应93%电量，3.9 V电压对应80%电量，3.8 V电压对应70%电量，3.7 V电压对应56%电量，3.3 V电压对应3%电量。在锂电池进行充放电过程中，芯片INA226会实时监测其电压值，并通过查表方式获得对应的锂电池电量信息。

5、结论

在本设计中，电能检测模块负责测量总线电压，并通过I2C接口将采集到的电压值和电流值传输至微处理器。通过编写程序并应用公式，微处理器能够直接计算出剩余电量的百分比，并通过连接的显示模块输出显示结果。此外，本设计的控制系统旨在将氢燃料电池输出的电能存储到锂电池中，为后续用电设备供电。该控制系统主要聚焦于锂电池的电能检测。在应用上述模块后，可以对锂电池的电量进行实时监测，并通过微处理器将电量信息显示在用户界面上。

参考文献:

[1]贾华,黄熠.基于STM32的电动汽车锂电池管理系统设计[J].计算机与网络,2018,44(9):58-60.

[2]田侃,张斌,蔡明扬.基于STM32F103RBT6的电池检测仪设计[J].船电技术,2023,43(11):43-46.

[3]魏丽君,李小霞.基于STM32的锂电池充放电系统的研究与设计[J].计算机测量与控制,2020,28(11):222-226.

[4]李庆红,聂俊飞,罗婷,等.基于STM32的锂电池充电控制电路设计[J].仪表技术,2022(2):37-40.

文章来源:刘春蕾,陈朝阳,丁一博,等.基于STM32的锂电池电量状态监测系统设计[J].仪表技术,2024(03):18-20+25.