基于STM32的鋰電池組SOC管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

潘瑩+朱武+張佳民

摘 要：針對(duì)鋰電池組單體多、電路復(fù)雜使SOC管理不到位的問題，設(shè)計(jì)出一種新的鋰電池組SOC管理系統(tǒng)。硬件上通過集成的電池管理芯片實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)參數(shù)的采集，STM32控制器通過IIC總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及處理，算法上采用開路電壓結(jié)合安時(shí)積分方法實(shí)現(xiàn)SOC實(shí)時(shí)估計(jì)。該系統(tǒng)電路拓?fù)浜?jiǎn)單，穩(wěn)定性和可靠性較高。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鋰電池組SOC的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確度高。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；STM32控制器；電池管理芯片；開路電壓法；安時(shí)積分法

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0026-02

引言

鋰電池作為未來電池發(fā)展的重要方向，離不開有效的能量管理系統(tǒng)（Battery management system， BMS ）。電池荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）作為BMS的主要參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SOC能夠防止鋰電池過充過放，從而延長(zhǎng)電池壽命，保證電池組的續(xù)航里程[1-2]。如果電池組單體較多，需要采集大量的數(shù)據(jù)，如果用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路，接線復(fù)雜，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，這種方案并不可取[3]。所以本文以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，以STM32F103V作為主控芯片，利用集成的電池管理芯片設(shè)計(jì)鋰電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整組電池SOC的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，整個(gè)管理系統(tǒng)的功能主要包括電池組電壓、電流和電池單體電壓、溫度等數(shù)據(jù)的采集，通過主控芯片STM32來估計(jì)電池SOC以及顯示電池組基本信息，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 電池組基本參數(shù)采集

采用TI的集成電池管理芯片，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)復(fù)雜的接線，能準(zhǔn)確的采集到電池組電壓、電流、單體電壓以及溫度等信息，本系統(tǒng)采用BQ76930芯片，內(nèi)部集成了14-bit ADC，能同時(shí)采集10個(gè)電池串聯(lián)組成的電池組的數(shù)據(jù)，單體端電壓測(cè)量范圍為0-6.275V。將電流檢測(cè)電阻兩端的電壓通過芯片引腳SRP和SRN，連接到芯片內(nèi)部ADC和庫(kù)侖計(jì)，計(jì)算累積電荷，從而達(dá)到檢測(cè)電流的目的。引腳TS1和TS2外接兩個(gè)熱敏電阻，可以同時(shí)測(cè)量電池組內(nèi)兩點(diǎn)的溫度。

1.2 數(shù)據(jù)處理

BQ76930將采集到的數(shù)據(jù)通過IIC總線傳給STM32芯片，由芯片處理后通過GPIO口，將電池組的狀態(tài)參數(shù)傳遞給顯示器界面，如果電池狀態(tài)異常，通過顯示的信息，可以人工控制電池組，也可以通過控制電路上的開關(guān)器件，及時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行控制。

2 SOC估計(jì)算法

安時(shí)積分法對(duì)于SOC預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于對(duì)SOC0的估計(jì)，本系統(tǒng)利用開路電壓法OCV（Open circuit voltage）確定SOC0，預(yù)先標(biāo)定電池的OCV和SOC的關(guān)系，以0.5C電流給電池充電，當(dāng)充電電流降至65mA時(shí)，停止充電，記此時(shí)鋰電池的SOC為1，靜置后測(cè)量電池的OCV，利用電子負(fù)載以1C電流給電池放電，每隔5%SOC記錄鋰電池在靜止?fàn)顟B(tài)下的開路電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4，利用多項(xiàng)式擬合OCV-SOC的關(guān)系式，如式（2）所示，得到不同OCV下的SOC0。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)于SOC的估計(jì)主要分為兩個(gè)階段，電池組狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)電池的開路電壓估計(jì)電池的初始SOC；電池組工作時(shí)，根據(jù)充放電電流積分結(jié)合在線估計(jì)電池SOC的變化量，當(dāng)某個(gè)單體電池SOC最先達(dá)到充電閾值或放電閾值時(shí)，主控制器向顯示器發(fā)送信息，并且由控制電路中斷電池組充放電。程序流程圖如圖3所示

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試所用電池組由10個(gè)松下18650型鋰電池串聯(lián)，電池單體容量為3.5Ah，額定電壓為4.2V。對(duì)電池組進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電流大小為1A，電池管理系統(tǒng)采集到電池實(shí)時(shí)端電壓，根據(jù)初始時(shí)刻端電壓以及充放電電流大小計(jì)算實(shí)時(shí)SOC，如圖4和圖5所示。測(cè)試結(jié)果顯示，這種SOC管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)成組電池的單體的管理。

5 結(jié)束語

利用集成的電池管理芯片BQ76930采集電池組狀態(tài)參數(shù)，避免了傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集時(shí)復(fù)雜的接線， STM32作為主控芯片，利用豐富的GPIO口控制方便控制顯示電路及其他電路，使電池組管理系統(tǒng)集成度更高，抗干擾能力以及數(shù)據(jù)采集精度更高，在實(shí)際系統(tǒng)中使用方便靈活，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的SOC信息。

參考文獻(xiàn)：

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