基于STM32的多节锂电池管理系统的设计

引言

电池节能和污染正日益成为人们关注的问题。在传统电池领域中，铅酸电池和镍氢电池在实际使用过程中存在一系列问题：如比容小，不适应快速充电和大电流发电或者是镍氢电池在串联电池组时管理问题比较多。相反，锂电池不仅比容要好于铅酸电池和镍氢电池，而且还具有无记忆效应、使用寿命长和单节电芯电压高等优点。

在矿用产品中，锂电池逐步替代了铅酸电池和镍氢电池。但锂电池在使用时也存在一个重要的问题，它在过充电或是在过放电时电池可能会发生爆炸，因此需要良好的保护电路来配合使用，这样可以杜绝电池爆炸的问题。本文研究的就是利用STM32f103单片机和LTC6802-1芯片对锂电池组进行管理保护。这样可以既可以发挥锂电池的优势，也可以杜绝使用锂电池产生的一些问题。

LTC6802介绍

在众多电池管理芯片中，LTC6802性能出众，其独特的内部设计使其能同时检测多达12节电池电压，而且其简单的外部电路配置能使我们方便的搭建系统，有利于降低成本和开发时间。

LTC6802内部有高精度的模数转换器，位数多达12位，单个LTC6802能同时检测12节串联单体电池电压，也可以测量电池组总电压，在电池管理系统中，我们可以将多个LTC6802芯片组成链式电路，方便我们监测多于12节或大于60V的电池组，采用这种可堆叠式架构使得我们测量或管理1000V电池系统成为可能，利用其双热敏电阻输入、板上温度传感器等多种渠道可以实时监测锂电池组温度。

LTC6802与微处理器之间的通信是由一个兼容式串行接口实现，在链式电路中，每个LTC6802都能通过简单的二极管隔离实现数据通信。其SPI时序图如图1所示。

图1 SPI通信时序

LTC6802有多种工作模式，如待机模式、测量模式以及监视模式；每一种模式都有其独特的工作状态：

待机模式：系统上电时，LTC6802默认处于待机状态，此时，除串口和稳压器电路外，其他电路都处在关闭状态，这时LTC6802电流处在最小状态。

测量模式：通过命令对寄存器CDC位进行设置，可以使LTC6802处在测量模式中，此时，对单体电池的电压进行正常监视，通过寄存器能判断其是否过压或欠压。

监视模式：LTC6802只监视处于过压或欠压状态的单体电池，串口通信电路处于关闭状态；

它广泛应用于电动汽车和混合动力汽车、大功率可携带设备、备用电源、高压数据采集系统，本文中主要将其应用在备用电源中，取得良好效果。

硬件系统的设计

在图2中，LTC6802链式电路可以测量多节（12节或更多）锂电池电芯值，通过这些电压或温度值，可以判断电池是过充、过放还是过温。STM32F103主控芯片通过自带动SPI总线模块从LTC6802中读取所需要的值，利用充放电控制单元对锂电池组进行保护，同时也可以在LCD人机界面上显示。

图2 硬件系统框图

STM32F103控制单元

该款单片机是基于Cortex-M3内核设计的ARM芯片，内部集成SPI总线模块、USB模块、16路ADC采样等等外设。其时钟频率最大可以达到72MHz，这样的频率可以满足大部分场合的需要。内置512KB的高速存储器以及64KB的SRAM，丰富的增强I/O端口和连接到APB总线的外设均使得STM32F103成为一款非常优秀的单片机。

这些丰富的外设资源，使得STM32F103系列单片机适合于多种场合：

①电机驱动和应用控制；

②医疗和手持设备；

③PC外设和GPS平台；

④工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪；

⑤警报系统、视频系统、备用电池系统等等。

在本系统中，STM32F103单片机主要应用在电池管理系统中，也就是备用电源。STM32F103通过自身的SPI外设来设置LTC6802工作方式，通过LTC6802读取电池组电芯电压值、电芯温度值，以及设置电池过压、欠压和过温等报警标志，并利用这些获得的值对电池进行充放电管理，这样可以达到保护电池的作用。

在硬件系统框图中，我们可以看到系统模块有：单片机最小系统、LTC6802链式电路、电池均衡电路、电池测温单元电路、通信电路等。

在该电路中，STM32F103单片机主要负责对LTC6802信息的读写，控制均衡电路，也就是充放电控制单元，同时可以检测电池温度，将这些有用信息在人机界面上面显示。电路如图3所示。

图3 STM32F103控制电路

LTC6802链式电路

LTC6802链式电路在多电池信息检测中有着重要的作用，我们知道一块LTC6802芯片只能管理12个单个电池，一般情况下也就是36V左右。在某些时候，可能需要电池电压远远大于36V，这个时候我们就可以利用LTC6802链式电路来达到这个要求，如图4所示。

在图4中，SPI TOP和SPI BOTTOM就是连接顶端LTC6802和底端LTC6802。这样就可以组成多级LTC6802链式电路。

图4 LTC6802链式电路

控制均衡电路

均衡