基于STM32的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)設計

賈華 黃熠

摘要：針對新能源電動汽車提出了一套完整的電池管理系統(tǒng)方案，采用STM32芯片作為主控芯片并架構嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS，由嵌入式操作系統(tǒng)實時監(jiān)控充電、放電的過程，并且在LCD顯示屏上實時顯示鋰電池組的工作狀態(tài)。設計信號采集電路采集主控板上的總電壓、電流和子模塊上的單體電壓、溫度等參數(shù)，為鋰電池管理系統(tǒng)提供最原始的數(shù)據(jù)。該智能模塊兼有報警和散熱裝置，提高了系統(tǒng)的安全性。

關鍵詞：STM32芯片；鋰電池；智能控制模塊；實時監(jiān)控

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）09-58-3

Design on Lithium Battery Management System of Electric Vehicle Based on STM32

JIA Hua， HUANG Yi（Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou Inner Mongolia 014010， China）

0引言

能源危機和環(huán)境污染日益加劇，燃油汽車的普及在推動工業(yè)進步和經(jīng)濟發(fā)展的同時也加劇了環(huán)境的惡化和能源的消耗。電動汽車相比燃油汽車，具有無污染、噪聲小及能源利用率高等特點，逐漸替代了原有的交通工具，成為未來汽車發(fā)展方向之一[1]。動力電池是電動汽車的核心部分之一，為電動汽車提供能量的來源。為了使電動汽車能夠安全穩(wěn)定地運行，應為其配備完善的電池管理系統(tǒng)。

國外在早些時候就已經(jīng)開始了對電動汽車的研究，在電池管理和控制方面，已經(jīng)形成了一套比較完善的理論體系；國內對電池管理系統(tǒng)的研究較晚，不過在目前也已經(jīng)取得了重大的突破[2]。

1系統(tǒng)的總體架構

考慮到鋰電池的成本、壽命、體積和安全性等各個方面的因素，系統(tǒng)最終決定采用磷酸鐵鋰電池作為電動汽車的動力電池使用。磷酸鐵鋰電池是一種新型的鋰離子電池，額定電壓是3.2 V，充電終止電壓是3.7 V，放電終止電壓是2.0 V[3]。系統(tǒng)采用36節(jié)磷酸鐵鋰電池模擬動力電池組來完成設計，36節(jié)電池平均分配到3個采集板進行信號的采集，采集板與主控板之間采用CAN總線進行通信連接。

系統(tǒng)的硬件電路分為主控制板電路和采集板電路，主控制板電路主要由主控制芯片STM32、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊及人機交互模塊等組成，采集板電路主要由溫度采集模塊和單體電池電壓采集模塊組成[4]，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2硬件設計

2.1主控板電路設計

2.1.1主控芯片的選取

電池管理系統(tǒng)的硬件模塊主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊及報警模塊等，這些模塊使得主控制板所要處理的信息量明顯增加。STM32F103ZET6擁有較快的運算速度、多任務的處理能力、豐富的片內外設資源、較大的存儲容量、良好的用戶開發(fā)環(huán)境和低功耗等，集高性能、低功耗、低成本于一體[5]，非常適合作為本次設計的主控芯片。

2.1.2電池組總電壓采集電路

系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器HNV-025A進行總電壓的采集。HNV-025A型霍爾傳感器是利用磁補償原理的一種電壓傳感器，能夠測量直流、交流以及各種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的[6]。此傳感器適用的測量電壓范圍為10～500 V，初級額定電流為±10 mA，次級額定電流為±25 mA，原邊和副邊的匝數(shù)比為2 500：1 000，連線圖如圖2所示。

為了使傳感器達到最佳的精度，通過選擇i大小，使得輸入電流為10 mA，通過改變m的阻值，可以改變輸出電壓的大小。

2.1.3串口通信電路的設計

系統(tǒng)實現(xiàn)了MCU與PC機之間的通信，可以通過上位機對電池管理系統(tǒng)的參數(shù)進行管理，同時將電池組當前的工作狀態(tài)實時地反饋給上位機。系統(tǒng)所采用的主控芯片STM32包含3個USART和2個UART，只需要擴展電平轉換電路就可以完成與CPU的連接。本系統(tǒng)采用MAX232進行電平的轉換，完成MCU與PC機之間的電平轉換。

2.1.4 CAN通信電路的設計

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行CAN接口電路設計時需要考慮到隔離的問題，系統(tǒng)采用CTM8251A完成主控制板和采集板之間的通信連接。CTM8251A是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，這款芯片集成了CAN隔離及CAN收發(fā)等功能。3個采樣板通過CAN總線與主控制板進行通信，主控制板與采集板連接示意圖如圖3所示。

2.1.5報警電路

當電池組中單體電池間的電壓過高或者過低、溫度過高或者過低、電流過大、電池間的剩余容量差距過大時，系統(tǒng)就會自動檢測到并發(fā)出警報，提示工作人員電池管理系統(tǒng)發(fā)生異常，報警電路可以采用蜂鳴器進行報警。

2.1.6 LCD電路設計

顯示工具采用的是TFT-LCD，本文直接采用的是一款集成的LCD模塊，該模塊上集成了ILI9341控制器、驅動器和觸摸芯片XPT2046。

2.2采集板電路設計

2.2.1溫度采集電路設計

鋰電池的溫度是鋰電池管理系統(tǒng)中一個至關重要的參數(shù)，系統(tǒng)采用了DS18B20進行溫度的測量。DS18B20是專用的數(shù)字溫度傳感器，擁有獨特的單總線接口方式，MCU與DS18B20的通信僅需要一根線就能夠進行，很大程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。芯片的測溫范圍是-55℃～+125℃，并且擁有超高的測量精度。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫。但是如果數(shù)量過多，會使供電電源的電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。工作電源范圍為直流3.0～5.5V。在使用中不需要任何外圍元件。測量結果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

由于本系統(tǒng)中的被采樣對象是36節(jié)磷酸鐵鋰電池，工作電壓較高。因此溫度傳感器不能直接與鋰電池組連接，必須將鋰電池組和溫度傳感器隔離開。本系統(tǒng)為了提高安全性，采用了光耦隔離器6N137對MCU和測溫模塊進行隔離，并且使用IB0505LS-1W為隔離芯片單獨供電。2.2.2單體電池電壓采集電路設計

測量單體電池的電壓是電池管理系統(tǒng)中至關重要的一個步驟，對其測量的精度要求較高，并且電池組中串并聯(lián)的電池數(shù)量較多，所以本系統(tǒng)決定采用差模測量的方法測量單體電池的電壓，如圖4所示，單體電池經(jīng)過光耦隔離器之后，進入差分采樣模塊進行電壓采集[7]。

3軟件設計

因為電池管理系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能較多而且復雜，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和實時顯示，所以傳統(tǒng)的前后臺操作系統(tǒng)軟件設計已經(jīng)不能滿足本系統(tǒng)的要求。

為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性和多任務的執(zhí)行，需要為本系統(tǒng)設計一款實時性高的操作系統(tǒng)。綜合考慮之后，決定采用嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)[8]。FreeRTOS是Richard Barry公司開發(fā)的一款小型的可移植的嵌入式操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRtos的任務特性是簡單、沒有使用限制、支持搶占及支持優(yōu)先級等優(yōu)點，不過由于每個任務都擁有堆棧，導致了RAM使用量增大，如果使用搶占的話必須仔細地考慮重入的問題。

4結束語

隨著能源危機和環(huán)境危機的不斷加重，在不久的將來，新能源電動汽車必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車，成為全世界的主流汽車。本系統(tǒng)設計和實現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)的主要功能，并且對所設計的硬件和軟件部分進行了調試，完成了電池電壓、電流溫度等的實時測量并通過嵌入式完成界面的設計，能夠對電池管理系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。但在SOC的測量和電池均衡管理方面還存在著不足的地方，未來還需要引進更加科學的算法來完善電路設計。另外，對于電動汽車鋰電池的安全性和續(xù)航性等問題，還需要更加科學的理論和實踐來不斷完善。

參考文獻

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[3]陳方國，趙志偉.高精度估算SOC的鋰電池管理系統(tǒng)研制[J].科技風，2012（17）：43-44.

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