基于BT9921的手持式13串锂电池检测系统
基于BT9921的手持式13串锂电池检测系统[20200408100448]
摘 要
锂电池有着高能量、寿命长、低功耗、环境污染小、无记忆效应、小自放电、小内阻、高性价比等优点，在移动终端、电动汽车、储能、航空航天等领域都有广泛应用。随着锂电池制备工艺的成熟，应用范围的扩大，生产产业化和规模化，使得对锂电池产品质量的要求不断提高，从而对锂电池检测设备的需求也再不断增加，同时也提出了更严格的要求。因此，我们需要设计出一种既节能、成本又低的电池检测设备，以完成对电池的方便而准确的检测。本文所设计的手持式锂电池检测系统，以苏州贝克微电子开发的12串锂电池组检测和保护芯片BT9921来设计锂电池外围检测电路，以单片机作为各种功能实现的控制核心。该检测系统通过BT9921实现了对锂电池组内单颗锂电的实时检测，并通过液晶屏反馈检测信息，简化检测过程，提高检测效率。
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关键字:锂电池BT9921单片机便携设备电压检测
目 录
1.绪论 1
1.1锂电池性能研究现状 1
1.2设计目的和意义 1
1.3锂电池检测设备现状 2
2.系统的硬件设计 3
2.1概述 3
2.2系统硬件结构设计 3
2.3采样电路设计 4
2.3.1 BT9921的采样过程 4
2.3.2运放采样过程 6
2.4控制器电路设计 7
2.5电源电路设计 7
2.6显示及按键设计 9
2.7电路布局抗干扰设计 10
2.8本章小结 11
3.软件设计 11
3.1软件设计方法及开发环境 11
3.2系统软件结构 11
3.3采样模块软件设计 14
3.3.1 A/D采样设计 14
3.3.2采样数据处理及矫正 16
3.3.3矫正参数的获得 18
3.4按键及LCD软件设计 19
3.4.1按键软件设计 19
3.4.2 LCD软件设计 20
3.5系统软件总结 21
4.实验过程及结果 22
5.总结 25
参考文献 26
致 谢 27
1.绪论
1.1锂电池性能研究现状
随着上世纪锂电池问世以来，前赴后继的应用研究和开发一直在不断的进行着。近几十年来，锂电池的发展更为迅速，也得到了更加广泛的应用。锂离子电池具有许多优点，如高电压，大容量，循环寿命长，无记忆效应[1]，随着锂电池越来轻薄化便携化，实用性大大提高，使得移动设备的体积和重量都大大的减小。
由于认识上的误区，人们常把锂电池与锂离子电池认为是同一种电池，但从材料本质上说这两种电池并不相同。现如今，由于锂离子电池比能量更高，安全性更好，耐高温，耐过冲性能，已渐渐取代其他蓄电池成为了市场主流，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统锂离子电池材料更具优势，本文中锂电池与锂离子电池并未区分，统称为锂电池。
锂离子的电池内部结构，也和一般蓄电池类似，由正极、负极、电解质及隔膜组成。正极材料的选择有很多，但是磷酸铁锂盐是现在的主流。负极材料常常选用石墨，但在新的研究中，发现钛酸盐材料更可以提高电池效率。溶质多常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)，锂离子电池一般会使用的溶剂多为有机溶剂，因为电池在工作时产生的电压远高于水的分解电压 ，如碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，乙醚，二乙基碳酸酯等。
一般锂离子电池的电解质常见为液体，被称为液体电解质锂离子电池，后来又开发出固态及凝胶型聚合物的电解质，这种锂离子电池被称为为聚合物类锂离子电池，性能要优于液体电解质的锂离子电池，安全性上也更具优势。现在聚合物类锂电池逐渐取代传统液体电解质锂离子电池，逐渐成为锂离子电池应用中的主流。
1.2设计目的和意义
锂电池检测设备是锂电池生产检查常见设备，本设计的目的意义就在于设计一种便携式手持锂电池检测设备，对电池组性能进行快速精确的检测，对电池性能做出初步判断。
常见的锂电池多为串联使用，而串联使用的锂电池组由于个体之间制造工艺的区别，电池的电压不可能完全一致。这样在使用的过程中，锂电池组在充放电时候，高容量的电池会向低容量的电池放电，这种现象会大幅度降低锂电池组的使用寿命。所以在这样的情况下，一个准确可靠方便的电池检测系统可以提高检测效率，及时发现锂电池存在的问题，延长锂电池寿命有很大的帮助。
1.3锂电池检测设备现状
锂电池检测结构[2]设计上经历了人工检测、单机单通道自动检测、单机多通道检测与多机分布式全自动自能检测四个阶段。多机分布式结构设计检测系统现在成为主流检测结构，可以根据对应用的具体要求，采用两级或是三级集散式控制结构。但无论是单机单通道，单机多通道，基本都是由主控制器与执行回路组成，而在逐渐主流的两极或是三级集散式控制结构中，会再加入分控制器。
随着锂电池产业的逐渐扩张，越来越多的企业参与到生产电池的产业中，因此对检测设备的需求也有较大幅度的提升，一些科技公司和科研机构也都进入锂电池检测和生产的领域[3]。北京有色会属研究总院、哈尔滨子木科技有限公司、燕山大学等机构都设计了自家的锂电池检测机构，并进入到市场中。
国外的电池检测设备比较成熟，在国内厂商的接受度也很高，比如Maccor公司、必测公司、美国Arbin仪器公司、德国迪卡龙公司等开发的设备，这些产品的检测精度好，产品合格率高，但是价格比较高[4]。
在锂电池大规模生产中，成本因素成为需要考虑的关键。生产出一种检测精度高、可靠性好、性价比高的电池检测设备，从而实现电池检测简便化自动化，解决手工检测的高成本和不可靠性[5]。现如今锂电池产品逐渐向污染小、容量大、重量轻、体积小、安全性好、寿命长、国际标准化、通用化的方向快速发展，对锂电池检测设备性能上也有了更严格的要求。在电池检测设备发展的下一阶段，之后的研究方向主要集中在以下几个方面[6]：
1.向高可靠性、高准确度发展，以适合大批量、高质量生产的需要；
2.大功率发展,以适应电动工具、数字通讯、电动汽车发展的需要；
3.向多功能多参数发展，以适应更多的电池参数，如：温度、内压内阻等参数测试的需要；
4.自动化、智能化、数字化发展，以适应大规模全自动化生产的需要；
5.向组合结构、模块化发展，缩短设备开发周期,形成一个适应多种电池、各种容量电池的生产及科研需要的一个通用的测试平台。
2.系统的硬件设计
2.1概述
该项目从设计，验证，到最后完善的过程中，期间遇到了很多困难。在合理的设计思路下，这些困难最终都会得到一个适当的解决方案，所以总体的设计方案就显得十分重要。总体方案的确立，就代表一个正确的方向，即使期间出现了问题，也能够得到及时调整。本章从基础的部分开始，介绍设计时的思路，以及所使用的器件、芯片、设备，从而完整确定了整体的硬件方案。
2.2系统硬件结构设计
设备要求能够采集13颗电池电压，在预置的各项要求对13颗电池电压进行判断，最终显示电池组的工作状态，并可以通过按键控制显示内容。系统采用主控制方式[7]，利用BT9921采样电压，MCU主控制器对采样电压的计算矫正，按键及LCD构成了人机交互界面。
图2.1 系统硬件结构图
根据图2.1，各模块功能简介如下：
1.BT9921采样电路：负责对整个电池组电压的采样。BT9921将电池组中单节电池的电压平移至以地为参考的电压。它可监测多达12节电池串联的电池组，输入电压最高达60V。但受限于BT9921只能检测出12节锂电池电压，在处理13节电池电压的检测过程中，我们把其中两颗电池通过运放连接处理后直接与MCU相连接，这就要求在MCU的选择要求其具有A/D转换功能[8]。
2.MCU控制器：作为系统的核心，控制整个系统的运行。包括何时采集电压，如何进行运算矫正处理以获得比较精确的检测数据，对液晶显示、按键构成的人机接口进行控制。
摘 要
锂电池有着高能量、寿命长、低功耗、环境污染小、无记忆效应、小自放电、小内阻、高性价比等优点，在移动终端、电动汽车、储能、航空航天等领域都有广泛应用。随着锂电池制备工艺的成熟，应用范围的扩大，生产产业化和规模化，使得对锂电池产品质量的要求不断提高，从而对锂电池检测设备的需求也再不断增加，同时也提出了更严格的要求。因此，我们需要设计出一种既节能、成本又低的电池检测设备，以完成对电池的方便而准确的检测。本文所设计的手持式锂电池检测系统，以苏州贝克微电子开发的12串锂电池组检测和保护芯片BT9921来设计锂电池外围检测电路，以单片机作为各种功能实现的控制核心。该检测系统通过BT9921实现了对锂电池组内单颗锂电的实时检测，并通过液晶屏反馈检测信息，简化检测过程，提高检测效率。
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关键字:锂电池BT9921单片机便携设备电压检测
目 录
1.绪论 1
1.1锂电池性能研究现状 1
1.2设计目的和意义 1
1.3锂电池检测设备现状 2
2.系统的硬件设计 3
2.1概述 3
2.2系统硬件结构设计 3
2.3采样电路设计 4
2.3.1 BT9921的采样过程 4
2.3.2运放采样过程 6
2.4控制器电路设计 7
2.5电源电路设计 7
2.6显示及按键设计 9
2.7电路布局抗干扰设计 10
2.8本章小结 11
3.软件设计 11
3.1软件设计方法及开发环境 11
3.2系统软件结构 11
3.3采样模块软件设计 14
3.3.1 A/D采样设计 14
3.3.2采样数据处理及矫正 16
3.3.3矫正参数的获得 18
3.4按键及LCD软件设计 19
3.4.1按键软件设计 19
3.4.2 LCD软件设计 20
3.5系统软件总结 21
4.实验过程及结果 22
5.总结 25
参考文献 26
致 谢 27
1.绪论
1.1锂电池性能研究现状
随着上世纪锂电池问世以来，前赴后继的应用研究和开发一直在不断的进行着。近几十年来，锂电池的发展更为迅速，也得到了更加广泛的应用。锂离子电池具有许多优点，如高电压，大容量，循环寿命长，无记忆效应[1]，随着锂电池越来轻薄化便携化，实用性大大提高，使得移动设备的体积和重量都大大的减小。
由于认识上的误区，人们常把锂电池与锂离子电池认为是同一种电池，但从材料本质上说这两种电池并不相同。现如今，由于锂离子电池比能量更高，安全性更好，耐高温，耐过冲性能，已渐渐取代其他蓄电池成为了市场主流，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统锂离子电池材料更具优势，本文中锂电池与锂离子电池并未区分，统称为锂电池。
锂离子的电池内部结构，也和一般蓄电池类似，由正极、负极、电解质及隔膜组成。正极材料的选择有很多，但是磷酸铁锂盐是现在的主流。负极材料常常选用石墨，但在新的研究中，发现钛酸盐材料更可以提高电池效率。溶质多常采用锂盐，如高氯酸锂
一般锂离子电池的电解质常见为液体，被称为液体电解质锂离子电池，后来又开发出固态及凝胶型聚合物的电解质，这种锂离子电池被称为为聚合物类锂离子电池，性能要优于液体电解质的锂离子电池，安全性上也更具优势。现在聚合物类锂电池逐渐取代传统液体电解质锂离子电池，逐渐成为锂离子电池应用中的主流。
1.2设计目的和意义
锂电池检测设备是锂电池生产检查常见设备，本设计的目的意义就在于设计一种便携式手持锂电池检测设备，对电池组性能进行快速精确的检测，对电池性能做出初步判断。
常见的锂电池多为串联使用，而串联使用的锂电池组由于个体之间制造工艺的区别，电池的电压不可能完全一致。这样在使用的过程中，锂电池组在充放电时候，高容量的电池会向低容量的电池放电，这种现象会大幅度降低锂电池组的使用寿命。所以在这样的情况下，一个准确可靠方便的电池检测系统可以提高检测效率，及时发现锂电池存在的问题，延长锂电池寿命有很大的帮助。
1.3锂电池检测设备现状
锂电池检测结构[2]设计上经历了人工检测、单机单通道自动检测、单机多通道检测与多机分布式全自动自能检测四个阶段。多机分布式结构设计检测系统现在成为主流检测结构，可以根据对应用的具体要求，采用两级或是三级集散式控制结构。但无论是单机单通道，单机多通道，基本都是由主控制器与执行回路组成，而在逐渐主流的两极或是三级集散式控制结构中，会再加入分控制器。
随着锂电池产业的逐渐扩张，越来越多的企业参与到生产电池的产业中，因此对检测设备的需求也有较大幅度的提升，一些科技公司和科研机构也都进入锂电池检测和生产的领域[3]。北京有色会属研究总院、哈尔滨子木科技有限公司、燕山大学等机构都设计了自家的锂电池检测机构，并进入到市场中。
国外的电池检测设备比较成熟，在国内厂商的接受度也很高，比如Maccor公司、必测公司、美国Arbin仪器公司、德国迪卡龙公司等开发的设备，这些产品的检测精度好，产品合格率高，但是价格比较高[4]。
在锂电池大规模生产中，成本因素成为需要考虑的关键。生产出一种检测精度高、可靠性好、性价比高的电池检测设备，从而实现电池检测简便化自动化，解决手工检测的高成本和不可靠性[5]。现如今锂电池产品逐渐向污染小、容量大、重量轻、体积小、安全性好、寿命长、国际标准化、通用化的方向快速发展，对锂电池检测设备性能上也有了更严格的要求。在电池检测设备发展的下一阶段，之后的研究方向主要集中在以下几个方面[6]：
1.向高可靠性、高准确度发展，以适合大批量、高质量生产的需要；
2.大功率发展,以适应电动工具、数字通讯、电动汽车发展的需要；
3.向多功能多参数发展，以适应更多的电池参数，如：温度、内压内阻等参数测试的需要；
4.自动化、智能化、数字化发展，以适应大规模全自动化生产的需要；
5.向组合结构、模块化发展，缩短设备开发周期,形成一个适应多种电池、各种容量电池的生产及科研需要的一个通用的测试平台。
2.系统的硬件设计
2.1概述
该项目从设计，验证，到最后完善的过程中，期间遇到了很多困难。在合理的设计思路下，这些困难最终都会得到一个适当的解决方案，所以总体的设计方案就显得十分重要。总体方案的确立，就代表一个正确的方向，即使期间出现了问题，也能够得到及时调整。本章从基础的部分开始，介绍设计时的思路，以及所使用的器件、芯片、设备，从而完整确定了整体的硬件方案。
2.2系统硬件结构设计
设备要求能够采集13颗电池电压，在预置的各项要求对13颗电池电压进行判断，最终显示电池组的工作状态，并可以通过按键控制显示内容。系统采用主控制方式[7]，利用BT9921采样电压，MCU主控制器对采样电压的计算矫正，按键及LCD构成了人机交互界面。
图2.1 系统硬件结构图
根据图2.1，各模块功能简介如下：
1.BT9921采样电路：负责对整个电池组电压的采样。BT9921将电池组中单节电池的电压平移至以地为参考的电压。它可监测多达12节电池串联的电池组，输入电压最高达60V。但受限于BT9921只能检测出12节锂电池电压，在处理13节电池电压的检测过程中，我们把其中两颗电池通过运放连接处理后直接与MCU相连接，这就要求在MCU的选择要求其具有A/D转换功能[8]。
2.MCU控制器：作为系统的核心，控制整个系统的运行。包括何时采集电压，如何进行运算矫正处理以获得比较精确的检测数据，对液晶显示、按键构成的人机接口进行控制。
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