2024年5月7日发(作者：)

ａ叶弑２０１３年第２６卷第１１期　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｎｏｖ．１５．２０１３　

基于ＢＱ７７　ＰＬ９Ｏ０的多节锂电池充放电管理系统　

、　

胡国民　，周志景　

（１．南京康尼机电股份有限公司轨道交通事业总部，江苏南京２１００１３；　

２．东南大学自动化学院，江苏南京２１００９６）　

摘要　因多节锂电池充放电管理要求严格，如电池电量平衡、过流／短路保护、欠压保护、过温保护等。故针　

对多节锂电池充放电管理要求，设计了一种基于ＢＱ７７ＰＬ９００的充放电管理系统，采用ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０作为核心处理器，　

并给出了详细的系统软、硬件设计。实验结果表明，该电路能够完成１０节电池的充放电管理，达到了预期的设计　

要求。　

关键词　多节锂电池；ＢＱ７７ＰＬ９００；电池管理；ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０　

中图分类号ＴＭ９１２　文献标识码Ａ　文章编号１００７—７８２０（２０１３）１１—１２５—０５　

Ｍｕｌｔｉ－ｃｅｌｌ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＢＱ７７ＰＬ９００　

ＨＵ　Ｇｕｏｍｉｎ　，ＺＨＯＵ　Ｚｈｉｊｉｎｇ　

（１．Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｋａｎｇｎｉ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｍｕｌｔｉ・－ｃｅｌｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅｙ　ｃａｎ　ｐｒｏ・－　

ｖｉｄｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ・ｃｅｌｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｉｓ　ｑｕｉｔｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　

ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｃｅｌｌ　ｂａｌａｎｃｉｎｇ，ｏｖｅｒ—ｃｕｒｒｅｎｔ／ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｏｖｅｒ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ａ　ｎｅｗ　

ｍｕｌｔｉ・・ｃｅｌｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＢＱ７７ＰＬ９００　ａｎｄ　ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒ－－　

ｗａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｒｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　

ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃａｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｕｌｔｉ－ｃｅｌｌ　ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｙ；ＢＱ７７ＰＬ９００；ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０　

锂离子电池因具有高能量密度、高工作电压、无记　

压一致性等功能，实现对多节锂电池的智能管理与　

忆效应等特点¨ｊ，在电动吸尘器、电动自行车、割草机　

保护。　

等产品中备受青睐。　

由于生产工艺限制，锂离子电池单体的存储容量、　

１　系统总体方案设计　

电压、内阻等参数即使在同一批电池中也会存在差异，　

本系统总体电路由ＣＰＵ模块、电池管理模块、电　

且这种不一致会在使用过程中逐渐增加。锂离子电池　

池包、电源、ＲＳ２３２通讯接口、外围设备和调试下载接　

组中单体不一致会造成电池组无法发挥最大容量，而　

口等模块组成，系统硬件框图如图１所示。　

且会大幅缩短电池组的使用寿命。此外，由于锂离子　

电池的特殊性，在使用中如果发生过充、过放或过流等　

问题，会对电池造成不可逆的损坏，甚至将造成安全事　

故　。因此，设计安全可靠的充放电管理系统是多节　

锂离子电池组使用中的重要环节。　

本文设计了一款基于ＴＩ电池管理芯片　

ＢＱ７７ＰＬ９００的多节锂离子电池组充放电管理系统，采　

用嵌入式开发技术与通讯技术，可实时监测电池工作　

状态，测量电池的电压、电流及温度，并保持电芯间电　

收稿日期：２０１３—０５—１０　

作者简介：胡国民（１９７３一），男，硕士。研究方向：机电系　

图１　系统硬件框图　

统设计。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｇｍ－７３＠１６３．ｃｏｍ。周志景（１９９０一），男，　

硕士研究生。研究方向：嵌入式系统设计。　

图１中，充电器通过电源接口在管理芯片控制下　

ＷＷＷ．ｄｉｏｔ。Ｉｚｉｋ叫ｉ．０ｒｇ——　１２５　

胡国民，等：基于ＢＱ７７ＰＬ９００的多节锂电池充放电管理系统　

对电池包充电。充电采用恒流一恒压（ＣＣ—ＣＶ）模　

式。充电过程中，电池禁止放电。　

此外，电池管理芯片随时监测电池总电压与单节　

电池电压以避免过压或欠压，并实现电池组内各电池　

电压的平衡。　

ＣＰＵ通过下载口实现程序的调试、参数的读取、程　

序的下载；通过ＲＳ２３２接口与上位机进行通讯，可实　

时获取相关数据，实现系统监测。此外，主控电路板还　

带有温度传感器、ＬＥＤ指示灯等外设。　

２关键器件选型　

图１中，ＣＰＵ和电池管理芯片是系统的核心。　

２．１　电池管理芯片选型　

目前市场上的电池管理芯片较多，其中ＴＩ公司的　

图２　电流检测电路　

ＢＱ７７ＰＬ９００芯片通过ＣＨＧ和ＤＳＧ脚控制电池　

充、放电功能。当ＣＨＧ输出高电平时，充电ＭＯＳＦＥＴ　

关断，停止充电；当ＣＨＧ输出低电平时，充电ＭＯＳＦＥＴ　

导通，进行充电。ＤＳＧ、ＣＨＧ开关工作原理，如图３　

所示。　

ＢＱ７７ＰＬ９００电池管理与保护器件可管理４～１０节电池　

组，通过级联可保护１１～２０节电池组，因而在多节电　

池组应用中备受关注　Ｊ。该器件可为电动自行车、电　

动踏板车、便携式园艺工具以及不间断电源提供简化　

的电池组管理方案。　

ＢＱ７７ＰＬ９００不仅可以通过监控单个电池电压实　

施保护，还可在发生故障时，驱动２个Ⅳ通道功率　

ＭＯＳＦＥＴ来中断电流。产品的故障检测与恢复标准可　

在非易失性存储器中全面编程，从而适用于所有类型　

的锂离子电池系统。主要特性：低功耗工作，低静态电　

流（典型值为５０　Ａ，判断模式下为２．５　Ａ）可以在闲　

置期减少电池放电，从而可较大限度地延长电池使用　

寿命。　

２．２　ＣＰＵ选型　

考虑到充电设备产品一般对低功耗和通讯等要求　

较高，本设计选取ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０芯片为ＣＰＵｌ４　Ｊ，芯片主　

要特性如下：（１）低功耗，处于空闲模式时电流降至　

５．８　Ａ（典型值），处于休眠模式时电流降至０．１　Ａ。　

（２）高灌／拉电流２５　ｍＡ／２５　ｍＡ。（３）最多ｌ３路通道　

的１Ｏ位模数转换模块（Ａ／Ｄ），可在休眠模式下进行转　

换。（４）主同步串口（Ｍａｓｔｅｒ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｐｏｒｔ，　

ＭＳＳＰ）模块支持３线ＳＰＩ和１２Ｃ主从模式。（５）增强　

型可寻址ＵＳＡＲＴ模块。支持ＲＳ一４８５、ＲＳ一２３２和　

ＬＩＮ　１．２　

３硬件电路设计　

３．１　电流检测及充、放电控制电路设计　

ＢＱ７７ＰＬ９００芯片带有电流检测功能，可测量电池　

回路的电流，并通过测量ＳＲＢＧＮＤ与ＳＲＰＧＮＤ两脚间　

的电压差，经运算放大器进行电压信号的放大，最后输　

出电流值。如图２所示。　

１２６——ＷＷＷ

．

图３充放电控制电路　

ｄｉａｎｚｉｋ叫ｉ．Ｄｒｑ　

胡国民，等：基于ＢＱ７７ＰＬ９００的多节锂电池充放电管理系统　

３．２　Ｉ　Ｃ通讯电路设计　

ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０带有主从同步串口模块，支持３线　

ＳＰＩ（共４种模式）和１２Ｃ主从通讯模式。Ｉ　Ｃ通讯电路　

图如图４所示。　

ＣＮＦ０　

ＶＬ０Ｇ　

Ｖ０ｕＴ　

４系统软件设计　

４．１总体软件实现　．　

系统总体软件设计使用有限状态机编程思想　，　

其假设系统具有有限个状态，状态的转变是对输入事　

件的响应。系统在任何时刻始终处于某一确定的状态　

３０　

２９

…，、

ＸＲＩＳｏＵＴｔ　２８　

ＧＮＤ　

由［ＬＴＪ　Ｉ　

５０ｏ　

上，且其行为确定。其总体实现流程图如图７所示。　

ｌ

４．７　ｋｎ　

ＳＣＬＫ　

ＳＤＡＴＡ　２６　

ＸＡＬＥＲＴ　

ＲＣ４　

图４　ＩｚＣ通讯电路　

图中，ＰＩＣ１８Ｆ４５２０的ＳＤＡＴＡ（ＲＣ４）、ＳＣＬＫ（ＲＣ５）　

脚分别与ＢＱ７７ＰＬ９００的ＳＤＡＴＡ与ＳＣＬＫ脚相连，通过　

４．７　ｋＩｌ的电阻上拉。　

３．３温度检测电路　

考虑到电池包安装与测量精度的要求，本电路采　

用ＮＴＣ负温度系数温度传感器。电路图如图５所示。　

图７总体软件实现流程图　

程序启动后，通过Ｉ　ｃ通讯修改ＢＱ７７ＰＬ９００的相　

关ＥＥＰＲＯＭ寄存器，进行过压阈值、欠压阈值、过流／　

短路阈值设定。　

Ｐ９　

阈值设定完成后进人状态机程序。状态机程序开　

始后，进行看门狗定时器的清０。清０完成后，系统进　

行当前状态判断。所有工作状态可分为：充电状态、故　

障状态和空闲状态。确定状态后进人相应状态处理程　

图５温度检测电路　

接热敏电阻（ＭＦＨ１０３—３９５０）　

使用ＴＬ４３１设计稳压源作为Ａ／Ｄ转换的参考高　

电压，地电位作为参考低电压，以提高测量精度。　

３．４　ＲＳ２３２串口通讯电路　

序并执行相应处理动作。　

４．２充电管理软件实现　

处于充电状态时，系统检测每节电池电压、电池总　

设计使用ＭＡＸ３２３２Ｅ作为ＲＳ２３２串口通讯的电　

平转换芯片，实现与上位机的通讯，如图６所示。　

　‘

电压、电池工作温度，定时器记录充电时间。而系统进　

行电池平衡、过压保护、充电完成指示、过温保护等动　

作。其中，充电过程流程图如图８所示。　

状态机初次进入充电状态时，初始化充电相关寄　

存器，以后则不再进行初始化以提高程序执行速度。　

电池平衡过程包括：判断电压是否达到开始平衡电压　

值；电芯间电压是否平衡；若电池电压不平衡，进行电　

池平衡过程。充电超过６小时表明电池已损坏，并停　

止充电。　

４．３故障状态与空闲状态软件程序　

系统进入故障状态后，断开充、放电开关，指示灯　

图６　ＲＳ２３２串口通讯电路　

指示故障状态。空闲状态时，断开充、放电开关，关闭　

指示灯，ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０进入休眠。每隔一段时间，系统　

ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋ叫ｉ　ｏｒＥＩ——　１２７　

胡国民，等：基于ＢＱ７７ＰＬ９００的多节锂电池充放电管理系统　

验证。另外，还测试了温度保护、电池电压检测、上位机　

通讯、ＬＥＤ指示等诸多功能。下面重点介绍电池平衡的　

实验测试，这也是多节电池组管理中的重要部分。　

以ｌ０节电池作为实验对象，通过测量１０节电池　

的电压来分析电池平衡结果。　

首先，设置电池平衡开始电压为单节电池电压超　

过４．０５　Ｖ；所有电池电压在３．９～４．０５　Ｖ之间时，不再　

进行电池平衡动作。实测数据如表１所示。由表１可　

见，所有电池电压未达到４．０５　Ｖ，此次实验未进行电　

池平衡。　

表１充电测试１电压数据　

电池电压／Ｖ　实验板测量值　

电池总电压　

３９．５８１　

第１节　

３．９５８　

第２节　

３．９３ｌ　

第３节　

３．９６３　

第４节　

３．９６４　

第５节　

３．９５５　

第６节　

３．９３０　

第７节　

３．９４５　

第８节　

３．９９５　

第９节　

３．９３５　

第１０节　

３．９４６　

然后，重新设置电池平衡开始电压为单节电池电　

压超过４．１　Ｖ；所有电池电压在４．Ｏ～４．１　Ｖ之间时，不　

进行电池平衡动作。实测数据如表２所示。　

表２充电测试２电压数据　

电池电压／Ｖ　实验板测量值　

电池总电压４０．８５４　

第１节　

４．０７４　

第２节　

４．０５５　

第３节　

４．０９６　

第４节　

４．０９５　

第５节　

４．０７６　

第６节　

４．０９９　

第７节　

４．０７６　

第８节　

４．０９３　

第９节　

４．０７０　

图８充电管理软件流程图　

第１０节　

４．０８７　

唤醒控制芯片，进行状态查询，重新回到状态机。　

由表２可知，本次实验进行了电池平衡，并成功控　

５实验测试　

制所有电池电压在４．０～４．１　Ｖ范围之间，且电池最高　

电压接近４．１　Ｖ。　

实验时首先对过充、过放及过流等保护进行了测试　（下转第１３１页）　

１２８——ＷＷＩＮ

．

ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．０１－ｇ——　

王梅，等：有源安装板振动试验研究　

发生变化，而在ｚ向，前后特征级试验曲线对比，频率移　

动了７　Ｈｚ，但并没有超出试验条件允许的偏差±２％。　

经试验验证，该有源安装板的结构设计较为合理。　

４结束语　

有源安装板作为主承力结构件，在雷达上的应用　

非常重要。文中通过设计试验方法及步骤，对某型号　

有源安装板进行了振动试验，得到了３方向第一次与　

最后一次试验后特征级曲线对比图。根据试验结果分　

图６　Ｙ向前后特征级对比　

析表明，该雷达有源安装板的结构设计合理。与此同　

时，该方法也给予同类型产品的振动试验研究提供了　

参考。　

参考文献　

［１］　陈章位，于慧军．振动控制技术现状与进展［Ｊ］．振动与冲　

击，２００９，２８（３）：７３—７７．　

［２］　ＭＣＣＯＮＮＥＬＬ　Ｋ　Ｇ，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ：ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　

［Ｍ］．Ｎｅｗｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ—Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，１９９５．　

［３］朱银龙，陈怀海，贺旭东，等．多输人多输出正弦振动试验　

控制系统算法研究及实现［Ｊ］．振动工程学报，２００８（１）：　

６２—６５．　

图７　Ｚ向前后特征级对比　

［４］周莉桦．混凝土柱试验误差综合分析［Ｄ］．上海：同济大　

学，２００９．　

分析以上３图可知，在　向和ｌ，向，前后试验特征　

［５］　陈维，高勃．谈预实验与探索能力的培养［Ｊ］．生物学教　

学，２０１２（２）：３５—３６．　

级曲线的基础频率基本吻合，说明产品的动态特性并未　

（上接第１２８页）　

６结束语　

本文设计了一种基于ＢＱ７７ＰＬ９００的充放电管理　

系统，采用ＰＩＣ１８ＬＦ４５２０作为核心处理器，成功完成　

１Ｏ节电池的充放电管理功能，包括电池电量平衡、过　

参考文献　

［１］戴永年，杨斌，姚耀春，等．锂离子电池的发展状况［Ｊ］．电　

池，２００５（３）：１９３—１９５．　

［２］　陈玉红，唐致远，卢星河，等．锂离子电池爆炸机理研究　

［Ｊ］．化学进展，２００６（６）：８２３—８３１．　

［３］　卢林．电池管理设计及发展趋势［Ｊ］．电子测试，２００７　

（１２）：７—１１．　

流／短路保护、欠压保护、过温保护等。并给出了系统　

详细的软、硬件设计及实验测试，经测试验证，本系统　

完全达到了预期设计要求。同时该系统对多节锂电池　

供电的电子产品设计也具有良好的参考价值。　

［４］李学海．ＰＩＣ单片机实用教程［Ｍ］．北京：北京航空航天　

大学出版社，２０１２．　

［５］　徐卫林，罗林．有限状态机的可靠性设计研究［Ｊ］．现代电　

子技术，２００７（１）：９３—９４．　

ｗｗｗ．ｄｌａｎｚｉｋ￣ｊｉ．０ｒｑ　１３１