准备自己做个3S锂电保护&电量指示板

maoji · 发表于 2017-3-12 21:25

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本帖最后由 maoji 于 2017-3-18 09:38 编辑

手头上有20个LG的2500mah动力电池，以前准备做电动滑板车的，闲置了，现在准备用起来，比如拿6个电池，3串2并，做笔记本备用电源，应急启动电源，大容量手机充电宝等。
但是充电保护和电量显示比较麻烦，特别是有串联的电池。现成的3S保护板，放电截止电压是2.5V，对电池损害大，而现成的电量指示板，只能显示串联后的总电压，不能反映电量最少的电池的情况。

所以准备自己动手设计电路板，用一个STM8S单片机实现，用单片机的三个ADC端口分别接到三个电池上实时监控电压，控制电池的输出。

关键要做到这些功能：
1、放电保护：只要有任意一节电池低于3.2V就自动断开
2、充电保护：只要有任意一节电池高于4.2V就自动断开
3、电量显示：按最低的一节电池的电压显示，用4个发光二极管显示
4、软开关：用一个按钮实现单键开关机，实现长时间不用自动关机
概述.png

现在担心的是单片机的ADC精度够不够，先试试看，计划一个星期搞定。

另外如果大家对这个有兴趣，可以考虑做个PCB，大家一起分担成本。。。

20170318更新：

改了电路，给IRF3205增加了驱动级。稳压电路也简化了，只用电阻分压就把单片机供电控制在3~5V。

增加了硬件短路保护，可以不依赖ADC测量电流了，响应时间可以在1us以内。

另外增加了电流放大电路。用两个运放，一个正向放大，测量放电电流，一个反向放大，测量充电电流。以后配合程序，还可以做简单的电池充放电容量检测。

还加了电池均衡充电电路，就用的我N年前做的这个： http://www.shoudian.org/forum.php?mod=viewthread&tid=195987&extra=（发个原创技术贴：一种简单有效的锂电池充电均衡电路）
不过这个电路空载也会消耗0.1mA电流，所以我增加了一个开关管，不充电的时候把均衡电路断开。

还预留了串口，可以接蓝牙模块，向手机实时发送电池状态。

已经设计了PCB，打样好了再设计程序。

电路改进后，设计的功能有：
1、放电保护：只要有任意一节电池低于3.2V就自动断开
2、充电保护：只要有任意一节电池高于4.2V就自动断开
3、电量显示：按最低的一节电池的电压显示，用4个发光二极管显示
4、软开关：用一个按钮实现单键开关机，实现长时间不用自动关机
5、短路保护：支持软件短路保护和硬件短路保护，软件短路保护是测量电流，电流超过一定值（或时间）就保护，硬件保护是超过固定值就立即触发保护。
6、均衡充电：最大支持到2A的均衡电流（为功率管增加散热，还可以继续加大电流）
7、充/放电电流检测
8、充/放电容量检测
9、通过手机APP显示电池状态参数
10、支持自动校准电压和电流（长按按钮进入自动校准模式）
11、设计指标：电池电压测量精度：0.02v；电流测量范围0~5A，电流测量分辨率：10mA；短路保护响应时间：1us。

电路原理图2_1.png

Junyee · 发表于 2017-3-12 21:40

stm8 即使工作在 LSI 代码在 RAM 运行,好像仍需要几百uA的电流.
打开ADC会增加1~2ma的电流,不过可以周期性的开启.

和一些专用的电压比较器相比,仍嫌耗电.
不过,用在 18650上也无所谓了.
记得一年充一次电就行.

STM8 的10位ADC 用在你这四个LED上,肯定得够啊.
充满4.2V 三串 12.6 /4 =3.15 接近 MCU的 V d
亏电3.3V 三串 9.9/4 ~=  2.5V

VBAT 3.3V  3.15  2.5
ADC 1024  977  775

可以捕获 200位的ADC变化.点你四个LED肯定没问题了.

用三色LED 来做彩色指示会更好!

maoji · 发表于 2017-3-12 22:24

初步电路设计。

用一个5A以上的场效应管来做总开关；
电池电压经过电阻分压后接单片机的ADC引脚。为了防止分压电阻消耗电流，加了二极管，关机后完全不耗电。
单片机通过一个三极管控制场效应管，另外还加一个按钮实现按下时开机，长按按钮关机（配合单片机程序实现）。

明天开始动手做。电路设计.png

maoji · 发表于 2017-3-12 22:27

本帖最后由 maoji 于 2017-3-12 22:30 编辑

Junyee 发表于 2017-3-12 21:40
stm8 即使工作在 LSI 代码在 RAM 运行,好像仍需要几百uA的电流.
打开ADC会增加1~2ma的电流,不过可以周期性 ...

准备设电源开关的，关机后完全断电，不会耗一点电。
另外，我实测过，STM8S103关机模式下，耗电只有7uA，关键是要设置好GPIO的状态，和LSI/主频好像关系不大。

Junyee · 发表于 2017-3-13 08:32

本帖最后由 Junyee 于 2017-3-13 08:35 编辑

maoji 发表于 2017-3-12 22:27
准备设电源开关的，关机后完全断电，不会耗一点电。
另外，我实测过，STM8S103关机模式下，耗电只有7uA， ...

执行 "halt" 命令后,,你还怎么对锂电进行保护啊?

我的建议是无视单片机这点消耗.

当电池电压低于某个值才执行 halt ,

既然用了单片机,,索性把锂电均衡也加上吧.

Junyee · 发表于 2017-3-13 08:40

STM8 我用了好多年了.
又看了下你这个结构.

12V 转 3.3V 这个器件很不好找.
因为要考虑到低功耗,小封装.
我常用的xc6206, 静态电流比较小,但是输入电压最高只有 6~7V.
用DC/DC 的话效率高但是增加了复杂性,而且很难找到 12V降3.3 静态 XXuA的.
如果LZ有合适的替代勿忘告知我谢谢.

三爷 · 发表于 2017-3-13 11:14

不懂，看看学习。

oycc5 · 发表于 2017-3-14 14:05

Junyee 发表于 2017-3-13 08:40
STM8 我用了好多年了.
又看了下你这个结构.

这个12V可以用。

L555T_007 · 发表于 2017-3-14 14:58

不建议

应该是使用低功耗的三串锂电保护IC和MOS，再外加平时断电的电量检测电路

或者考虑不怎么常用的 AVR ATMEGA406/ATMEGA16HVB 锂电池管理保护专用MCU芯片

宇文清熙 · 发表于 2017-3-14 16:05

会玩单片机真好啊

Junyee · 发表于 2017-3-14 22:20

oycc5 发表于 2017-3-14 14:05
这个12V可以用。

请问哪里可以买.

TB搜了只有一家..

maoji · 发表于 2017-3-14 22:43

差不多做出来了,用了4个LED和两个三极管做大致的稳压,实测在关机模式下,总耗电20多uA。
这个单片机内部有个1.2V的参考电压，电源电压就不要求很准了，只要保证电压在单片机的工作范围内就行。

用一个按钮控制开关机，关机后单片机进入停机模式，单片机本身耗电6uA。
电池的三个端口分压后分别接到单片机的20、19、14的ADC引脚上。
短路保护用了一个20毫欧的采样电阻（2cm康铜丝），准备保护到20A电流。
用两个IRF3205做充放电开关控制，这个管子最大电流有110A，足够用了。

程序还只写了开关机和电压采样的，还剩电量显示/充放电保护/短路保护/自动关机的没写，明天写完。

现在的问题是，单片机只支持16位整数，做乘法除法计算后，得到的电压值精度不高，电压值的分辨率只有0.05V，做过充过放的判断还是太粗了，再找找看有没有32位的计算。

电路原理图.png

TEMS · 发表于 2017-3-15 00:48

看看瞧瞧

Junyee · 发表于 2017-3-15 14:32

本帖最后由 Junyee 于 2017-3-15 14:34 编辑

maoji 发表于 2017-3-14 22:43
差不多做出来了,用了4个LED和两个三极管做大致的稳压,实测在关机模式下,总耗电20多uA。
这个单片机内部有个 ...

没听说过单片机只支持 16位整数的说法.

当然都是通过指令转换的,实际存储还是8位的.
64位都可以.你仔细找找IDE ,有设置的.

我用的IAR不经设置就可以支持32位计算.

3串能达到0.05 也可以用了,,,

Junyee · 发表于 2017-3-15 14:36

就 stm8这点耗电,,一个8050就够了,用不着上复合管.

建议用朋友提的 12V转3.3V的 LDO,功耗低.更稳定.
上面朋友给我留了个电话...不是TB店,..
不用去采集 adc1[7],省了一个通道的转换时间.

L555T_007 · 发表于 2017-3-15 16:14

本帖最后由 L555T_007 于 2017-3-15 16:24 编辑

IRF3205 的 Vgs(TH)是 2.0～4.0V ,  5V驱动不够理想。
而且充电控制管 Q2的驱动接法在输入电压高于电池电压 3~5V的情况下，把Vg锁定在Vbat- 也是无法关断的。例如电池12.6V ,外部电源17V.
这2个问题可以通过增加驱动级，从Vbat+取电来解决

不过重点问题在于  短路保护依靠 ADC轮询，反应相当的慢  。  [才发现STM8的ADC有模拟看门狗中断功能，单通道连续采样，反应速度应该可以在10uS内，算不错了 ]
（PD6 ADC输入要串电阻，避免IO本体二极管大电流导通）
另外电压精度过低，只能降低过充阀值来保证电池安全

还是专用芯片好，  通常也带能耗均衡功能。

maoji · 发表于 2017-3-15 18:36

Junyee 发表于 2017-3-15 14:32
没听说过单片机只支持 16位整数的说法.

当然都是通过指令转换的,实际存储还是8位的.

可以支持32位的乘除，是我看错了，以为不支持，现在电压分辨率能够达到0.015V，应该够用了。

maoji · 发表于 2017-3-15 18:43

L555T_007 发表于 2017-3-15 16:14
IRF3205 的 Vgs(TH)是 2.0～4.0V , 5V驱动不够理想。
而且充电控制管 Q2的驱动接法在输入电压高于电池电 ...

5V驱动不理想能够理解。
但是"把Vg锁定在Vbat- 也是无法关断的。例如电池12.6V ,外部电源17V."，这个是什么原因，Vbat+取电为什么能解决，能详细解释下吗？

maoji · 发表于 2017-3-18 09:06

本帖最后由 maoji 于 2017-3-18 09:07 编辑

改了电路，给IRF3205增加了驱动级。稳压电路也简化了，只用电阻分压就把单片机供电控制在3~5V。

另外增加了电流放大电路。用两个运放，一个正向放大，测量放电电流，一个反向放大，测量充电电流。以后配合程序，还可以做简单的电池充放电容量检测。

还加了电池均衡充电电路，就用的我N年前做的这个： http://www.shoudian.org/forum.php?mod=viewthread&tid=195987&extra=（发个原创技术贴：一种简单有效的锂电池充电均衡电路）
不过这个电路空载也会消耗0.1mA电流，所以我增加了一个开关管，不充电的时候把均衡电路断开。

还预留了串口，可以接蓝牙模块，向手机实时发送电池状态。

已经设计了PCB，打样好了再设计程序。
电路原理图2_1.png

宇文清熙 · 发表于 2017-3-18 09:56

楼主多打样几块，好了匀给我一块吧，分担下开发费用

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