基于BT9921的多串锂电池的保护均衡系统
基于BT9921的多串锂电池的保护均衡系统[20200408095739]
摘 要
锂电池可以分为锂一次电池和锂二次电池，锂离子电池是锂二次电池的一种。锂离子电池具有高容量、无记忆效应、使用寿命长等优点，得到了广泛应用。但由于锂离子电池安全性差且多颗电池串联使用会有电池组不一致性问题。要在使用过程中需要对电池组加装保护均衡系统进行监控和保护以提高其使用的安全性并延长使用寿命。
本文研究的基于BT9921的多串锂电池的保护均衡系统，用在电动自行车锂电池组上。选用BT9921作为锂离子电池组的电压和电流采集芯片，配合STM8L151K4T6单片机可以完成对多颗锂离子电池的均衡充电、过充、过放、过流保护。此外，还可以通过保护板上的MCU串口和电动自行车控制板上的主机进行通信。
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关键字:锂离子电池充放电保护均衡
目 录
1． 引言 1
1.1课题背景、意义和国内外研究现状 1
1.2课题主要研究内容及方法 2
2． 锂离子电池技术 3
2.1锂离子电池的结构和工作原理 3
2.2锂离子电池的性能参数及应用 4
2.3锂离子电池的充放电特性 6
3． 硬件部分电路设计 7
3.1系统的总体电路设计 7
3.2系统各模块电路设计 8
3.2.1 BT9921和STM8L151K4T6介绍 8
3.2.2电压采样模块的设计 10
3.2.3电流采样模块的设计 11
3.2.4均衡模块的设计 12
3.2.5保护电路模块的设计 14
3.2.6串口通信模块的设计 16
3.2.7电源模块的设计 16
4． 软件部分设计 18
4.1系统软件部分整体设计 18
4.2电压读取模块设计 23
4.3电流采集模块的设计 26
4.4均衡控制模块设计 26
4.5电压和电流保护模块设计 28
4.6串口通信模块设计 33
5． 总结与展望 38
参考文献 39
附录 40
致谢 41
1．引言
1.1课题背景、意义和国内外研究现状
随着社会经济的快速发展人们对能源的需求也越来越多，传统的化石能源已经不能满足人们的需求。此外，环境污染问题也越来越受到了人们的重视，在倡导绿色生活的今天，传统的高污染能源将会被人们所抛弃。电能将越来越受到人们的重视，储能材料和器件也随之成为当今的研究热点。利用锂离子电池为各种设备供电具有与其他充电电池相比具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电效率低等特点，所以锂离子电池将来会在各方面得到更加广阔的应用。
但是，考虑到锂离子电池固有的特点：过充电容易导致锂离子电池中的电解液 分解释放出气体，从而导致电池鼓胀，严重的话甚至会冒烟起火；过放会导致电池正极材料分子结构 损坏，从而导致充不进去电；过流会引起电池组内部发热，使电池内部隔膜融化造成电池内部短路如此恶性循环。因此我们需要对锂离子电池组加装保护均衡电路，这样锂离子电池才能更加安全、高效的工作。
对锂离子电池的保护均衡板的设计研究主要包括保护芯片、均衡控制模块和电压电流保护模块。现在国内外已经有许多公司在生产研制不同功能的芯片，其中比较有代表性的有TI公司的BQ77910以及LT公司的LT6802以及本文所选用的苏州贝克微电子的BT9921。芯片之间的区别主要在于可以检测的电池颗数（其中BQ77910最多可以检测10颗锂电池，LT6802和BT9921最多可以检测12颗锂电池）、检测精准度、否需要外接MCU等。
对于锂离子电池组均衡的研究主要可以分为对均衡策略的研究和对均衡拓扑结构的研究。均衡策略有基于电池组SOC的均衡、基于外电路电压的均衡。基于SOC的均衡算法复杂而且受到温度和电池内阻影响，很难精确计算。基于外电压的均衡策略是认为当电池组的外电压一致时，即可以认为电池组中各颗电池的SOC相对一致。这种策略具有目标明确控制方便等特点，为现在许多电池组均衡方案所选用。在均衡的拓扑结构方面可以分为能耗型均衡和非能耗型均衡。非能耗型均衡有开关电容法、电感均衡法、DC—DC转换器法等，非能耗耗型均衡由于不消耗能量，或者说是消耗能量很少是当今研究的热点和未来发展的趋势。能耗型均衡主要有电阻均衡法，方法是在电池上并联一个合适的均衡电阻，通过开关管控制电阻的导通和关断，来实现均衡。这种方法和非能耗型均衡相比具有电路简单，易于控制的优点。但是能耗型均横的缺点是在均衡的同时会消耗能量，因此效率不高，还会引起锂电池组的热管理问题。
1.2课题主要研究内容及方法
本设计拟以BT9921和STM8L151K4T6芯片为核心，设计一种多串锂电池保护均衡系统，以下五个硬件模块和软件部分为本设计的主要研究内容，各模块具有以下功能：
① 电压采样电路：电压采样电路可以完成对12串锂电池的电压模拟量进行采集并经过MCU的A/D转换得到各单体电池的实时精确电压值，为电池组的过压、欠压保护提供数值依据。
② 电流采样电路：电流采样电路可以完成对锂电池组的放电电流进行采样和A/D转换，得到电池组的实时放电电流值。
③ 保护电路：保护电路主要完成当电池组欠压、过压、过流时主回路的MOS管开关控制，保证系统工作的稳定性和安全性。
④ 均衡电路：均衡电路主要作用是在电池组充电的过程中通过控制电池并联的旁路电阻的开关来实现每颗单体电池的外电压保持一致。
⑤ 单片机电源电路：为本设计中用到的STM8L151K4T6单片机提供3.3V电源，使MCU能够完成A/D转换、电路组保护等功能。
⑥ 系统的软件：本系统中的软件可以配合硬件完成电池组的电压及电流采样、过（欠）压及过流保护、均衡充电、电池组信息向主机传递。
根据系统的功能对硬件和软件进行了设计，其技术指标如下表所示：
表1-1 保护板电气参数
序号 名称 标称值 精度范围 备注
1 过充保护电压 4.250V ±25mV 充电保护
2 过充释放电压 4.00V ±25mV
3 过放保护电压 2.50V ±25mV 放电保护
4 过放释放电压 3.50V ±25mV
6 均衡开启电压 4V ±25mV 均衡
7 均衡开启压差 50mV /
8 均衡电流 40-42mA /
9 最大持续电流 20A ±2A 电流保护
10 限流保护值 30A /
12 正常放电电流 15A / 工作要求
13 正常充电电流 3A /
14 工作电压范围 42V～51V /
15 工作温度范围 -20℃～80℃ /
2．锂离子电池技术
2.1锂离子电池的结构和工作原理
（一）锂离子电池的结构
如图2-1所示锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及外壳等部分组成。
图2-1 锂离子电池的结构图
锂离子电池的正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。正极材料主要是锂的过渡金属氧化物例如锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂等。负极材料主要是碳素类材料，包括石墨、硬碳和软碳等。负极材料发展较为成熟，在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右，它的价格直接决定着锂离子电池价格。
摘 要
锂电池可以分为锂一次电池和锂二次电池，锂离子电池是锂二次电池的一种。锂离子电池具有高容量、无记忆效应、使用寿命长等优点，得到了广泛应用。但由于锂离子电池安全性差且多颗电池串联使用会有电池组不一致性问题。要在使用过程中需要对电池组加装保护均衡系统进行监控和保护以提高其使用的安全性并延长使用寿命。
本文研究的基于BT9921的多串锂电池的保护均衡系统，用在电动自行车锂电池组上。选用BT9921作为锂离子电池组的电压和电流采集芯片，配合STM8L151K4T6单片机可以完成对多颗锂离子电池的均衡充电、过充、过放、过流保护。此外，还可以通过保护板上的MCU串口和电动自行车控制板上的主机进行通信。
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关键字:锂离子电池充放电保护均衡
目 录
1． 引言 1
1.1课题背景、意义和国内外研究现状 1
1.2课题主要研究内容及方法 2
2． 锂离子电池技术 3
2.1锂离子电池的结构和工作原理 3
2.2锂离子电池的性能参数及应用 4
2.3锂离子电池的充放电特性 6
3． 硬件部分电路设计 7
3.1系统的总体电路设计 7
3.2系统各模块电路设计 8
3.2.1 BT9921和STM8L151K4T6介绍 8
3.2.2电压采样模块的设计 10
3.2.3电流采样模块的设计 11
3.2.4均衡模块的设计 12
3.2.5保护电路模块的设计 14
3.2.6串口通信模块的设计 16
3.2.7电源模块的设计 16
4． 软件部分设计 18
4.1系统软件部分整体设计 18
4.2电压读取模块设计 23
4.3电流采集模块的设计 26
4.4均衡控制模块设计 26
4.5电压和电流保护模块设计 28
4.6串口通信模块设计 33
5． 总结与展望 38
参考文献 39
附录 40
致谢 41
1．引言
1.1课题背景、意义和国内外研究现状
随着社会经济的快速发展人们对能源的需求也越来越多，传统的化石能源已经不能满足人们的需求。此外，环境污染问题也越来越受到了人们的重视，在倡导绿色生活的今天，传统的高污染能源将会被人们所抛弃。电能将越来越受到人们的重视，储能材料和器件也随之成为当今的研究热点。利用锂离子电池为各种设备供电具有与其他充电电池相比具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电效率低等特点，所以锂离子电池将来会在各方面得到更加广阔的应用。
但是，考虑到锂离子电池固有的特点：过充电容易导致锂离子电池
对锂离子电池的保护均衡板的设计研究主要包括保护芯片、均衡控制模块和电压电流保护模块。现在国内外已经有许多公司在生产研制不同功能的芯片，其中比较有代表性的有TI公司的BQ77910以及LT公司的LT6802以及本文所选用的苏州贝克微电子的BT9921。芯片之间的区别主要在于可以检测的电池颗数（其中BQ77910最多可以检测10颗锂电池，LT6802和BT9921最多可以检测12颗锂电池）、检测精准度、否需要外接MCU等。
对于锂离子电池组均衡的研究主要可以分为对均衡策略的研究和对均衡拓扑结构的研究。均衡策略有基于电池组SOC的均衡、基于外电路电压的均衡。基于SOC的均衡算法复杂而且受到温度和电池内阻影响，很难精确计算。基于外电压的均衡策略是认为当电池组的外电压一致时，即可以认为电池组中各颗电池的SOC相对一致。这种策略具有目标明确控制方便等特点，为现在许多电池组均衡方案所选用。在均衡的拓扑结构方面可以分为能耗型均衡和非能耗型均衡。非能耗型均衡有开关电容法、电感均衡法、DC—DC转换器法等，非能耗耗型均衡由于不消耗能量，或者说是消耗能量很少是当今研究的热点和未来发展的趋势。能耗型均衡主要有电阻均衡法，方法是在电池上并联一个合适的均衡电阻，通过开关管控制电阻的导通和关断，来实现均衡。这种方法和非能耗型均衡相比具有电路简单，易于控制的优点。但是能耗型均横的缺点是在均衡的同时会消耗能量，因此效率不高，还会引起锂电池组的热管理问题。
1.2课题主要研究内容及方法
本设计拟以BT9921和STM8L151K4T6芯片为核心，设计一种多串锂电池保护均衡系统，以下五个硬件模块和软件部分为本设计的主要研究内容，各模块具有以下功能：
① 电压采样电路：电压采样电路可以完成对12串锂电池的电压模拟量进行采集并经过MCU的A/D转换得到各单体电池的实时精确电压值，为电池组的过压、欠压保护提供数值依据。
② 电流采样电路：电流采样电路可以完成对锂电池组的放电电流进行采样和A/D转换，得到电池组的实时放电电流值。
③ 保护电路：保护电路主要完成当电池组欠压、过压、过流时主回路的MOS管开关控制，保证系统工作的稳定性和安全性。
④ 均衡电路：均衡电路主要作用是在电池组充电的过程中通过控制电池并联的旁路电阻的开关来实现每颗单体电池的外电压保持一致。
⑤ 单片机电源电路：为本设计中用到的STM8L151K4T6单片机提供3.3V电源，使MCU能够完成A/D转换、电路组保护等功能。
⑥ 系统的软件：本系统中的软件可以配合硬件完成电池组的电压及电流采样、过（欠）压及过流保护、均衡充电、电池组信息向主机传递。
根据系统的功能对硬件和软件进行了设计，其技术指标如下表所示：
表1-1 保护板电气参数
序号 名称 标称值 精度范围 备注
1 过充保护电压 4.250V ±25mV 充电保护
2 过充释放电压 4.00V ±25mV
3 过放保护电压 2.50V ±25mV 放电保护
4 过放释放电压 3.50V ±25mV
6 均衡开启电压 4V ±25mV 均衡
7 均衡开启压差 50mV /
8 均衡电流 40-42mA /
9 最大持续电流 20A ±2A 电流保护
10 限流保护值 30A /
12 正常放电电流 15A / 工作要求
13 正常充电电流 3A /
14 工作电压范围 42V～51V /
15 工作温度范围 -20℃～80℃ /
2．锂离子电池技术
2.1锂离子电池的结构和工作原理
（一）锂离子电池的结构
如图2-1所示锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及外壳等部分组成。
图2-1 锂离子电池的结构图
锂离子电池的正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。正极材料主要是锂的过渡金属氧化物例如锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂等。负极材料主要是碳素类材料，包括石墨、硬碳和软碳等。负极材料发展较为成熟，在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右，它的价格直接决定着锂离子电池价格。
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