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摘 要

便携式设备发展迅速，充电锂电池的需求量越来越高。随着充电频率的增加和电池耗电量的迅速增加，锂电池快速充电成了用户的迫切需要。在锂电池快速充电过程中，锂电池两端的电压和充电电流以及电池温度对锂电池有着重要的影响。本文设计研发一种锂电池快速充电监测平台。反映锂电池在快速充电过程中的状态的参数有：锂电池两端的电压和充电电流以及电池温度的变化。根据这些参数可以判断出电池的充电状态，并可根据电池额定容量和充电时间来计算充电效率。

本次设计在硬件部分选用Altium Designer开发环境，完成了以STM32F103为核心的锂电池快速充电状态参数监测平台的硬件系统及各模块的设计，以及实时监测锂电池电流、电压和外部温度的监测电路的设计，并绘制了硬件电路的PCB印制电路板。在软件部分，选用的是keil软件，主要包括主程序和监测程序等。在PCB印制电路板完成了焊接工作后，制作出来锂电池快速充电测控系统的实物。经过调试，实物运行能够得到实时的锂电池端电压、电流和电源电压、电源电流，并且根据这些参数，得到电池的充电状态。

关键字：锂电池；快速充电；电池状态监测

Abstaract

Portable equipment is developing rapidly, and the demand for rechargeable lithium batteries is increasing. With the increase of charging frequency and the rapid increase of battery power consumption, the rapid charging of lithium batteries has become an urgent need for users. In the process of rapid charging of lithium battery, the voltage and charging current at both ends of lithium battery and battery temperature have important influence on lithium battery. This paper designs and develops a monitoring platform for the rapid charging of lithium batteries. The parameters reflecting the state of the lithium battery during the rapid charging process are: the voltage and charging current at both ends of the lithium battery and the change of the battery temperature. According to these parameters, the charging state of the battery can be judged, and the charging efficiency can be calculated according to the rated capacity and charging time of the battery.

This design selects the Altium Designer development environment in the hardware part, completes the hardware system with the STM32F103 as the core, designs the charger circuit, the power supply circuit, the reset circuit, the decoupling circuit and so on, also designs the real-time monitoring lithium battery current, voltage and external temperature monitoring circuit, and draws the PCB printed circuit board of the hardware part circuit. At the software part, keil software is selected, including main program and monitoring program. After welding PCB printed circuit board, a lithium battery rapid charge measurement and control system was made. In the process of debugging, a universal voltmeter, oscilloscope and adjustable power supply were applied. After debugging, the physical object can run. physical operation, the operation can get real-time lithium battery terminal voltage, current and power supply voltage, power supply current, and according to these parameters, the charging state of the battery is obtained.

Keywords: lithium battery; fast charging; battery condition monitoring

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2目的和意义 1

1.3 论文安排 2

第2章 锂电池快速充电性能监测平台总体方案设计 3

2.1 系统总体方案设计 3

2.2交互模块设计 4

2.3电源电路的设计 4

第3章 硬件设计 5

3.1 单片机模块 5

3.2电源模块 6

3.3按键模块 7

3.4测温模块 7

3.5风扇模块 8

3.6显示模块 8

3.7 DAC模块 9

3.8充电模块 9

3.9电流电压采集模块 10

第4章 软件设计 12

4.1 软件编程设计 12

4.2 主程序设计 12

4.3 显示模块设计 14

4.4温度采集与风扇控制模块设计 14

4.5 充电状态控制模块 14

第5章 系统调试 16

5.1 硬件调试 16

5.2 软件调试 17

5.3 调试演示 18

第6章 总结与展望 26

参考文献 27

附录A 29

附录B 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景

可充电电池，作为便携式设备的最主要部件之一，有着广泛的发展前景^[1]。作为可充电电池之一的锂电池，因为其具有使用寿命很长、储能密度高、额定电压高、自放电率很低、重量轻、高低温适应性强、具备高功率承受力等优点，除此以外，锂电池的生产基本需要水，这对缺少的我国来说，十分有利，因此锂电池成为了便携式设备的主要供电电池^[2]。

锂电池具有远大的应用前景。根据资料显示，中国已经发展成全世界最大的锂离子电池制造国家，在全球产量占比达到54.03%，2019年1月至12月，我国电池制造业中的锂离子电池产量达到157.2亿只，同比增长4.0%^[3]。锂电池的应用成为主流，因此对锂电池的监控方面的研究成为一个热点。如雷娟^[4]的基于无线传输的方案、宋波^[5]提出的基于单总线传输的方案、徐明礼^[6]等提出的基于CAN总线传输的方案。这些都是从不同的方面对锂电池参数进行实时的监测，以确保锂电池的安全，并为锂电池充电效率的提高提供参考数据。

目前，国内许多科研院都在相继开发出电池的在线监测系统，如浙江大学，武汉理工大学等。电池的在线监测系统被称为电池监测系统，他的功能就是实时监测电池使用过程中各状态量的变化，防止电池在使用过程中出现自燃、爆炸等安全问题，电池使用效率也能因此获得提高，电池使用寿命增加^[7]。但是在早期，电池监测系统具有设备体积大、功耗大、且不方便携带的缺点。早在上世纪90年代，在电池监测领域处于领先地位的国家就是美国。国外的电池监测技术发展的比国内早，由于价格过高的问题，因此设备不能在我国普及^[8]。但是安全问题限制着锂电池快速充电技术的发展，当锂电池芯过充到电压高于4.2V时后，会产生副作用；当电池电芯低于2.4V时，部分材料会开始被破坏^[9]。因此一套准确、实用的锂电池快速充电监测系统是各个锂电池行业的迫切需要。

1.2 目的和意义

由于我国的综合科技技术、硬件研究技术、软件开发编程技术、电路研究技术的暴涨式发展，生活中的方方面面都和各种电子智能协助设备有着密切的联系。现代生活对自动化的要求越来越重要，而单片机的应用满足人们的日常生活需求，单片机的主要应用是嵌入式应用领域和计算机控制领域^[10]。在这样的环境下开发出基于单片机的锂电池快速充电监测平台对于人们来说显得非常重要，相比较于人手工测量锂电池的温度、电压、电流，用单片机实现具有测量更准确、能够实时显示的优点^[11]。而且单片机能够实时监控锂电池的状态，并在锂电池温度过高的实话采取散热措施，能够提高安全性。因此，在现有的技术上开发出一种智能化，人性化，高效化的基于单片机的锂电池快速充电性能监测平台的测控系统方案，对提升充电过程有着重要的意义^[12]。

1.3 论文安排

本文介绍了一种采用STM32F103VC8T6芯片为核心控制芯片，实现单片机模块、电源模块、显示模块、DAC模块、充电模块、电流电压采集模块等几个部分的锂电池快速充电监测平台的测控系统。本次设计的论文将用6章的内容对整体设计过程进行阐述，具体的安排如下：

第1章绪论，主要描述了基于锂电池快速充电方案的研究背景、研究的目的和意义以及本设计的论文安排。

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