基于STM32的電動汽車鋰電池管理系統設計

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方案，采用STM32芯片作為主控芯片并架構嵌入式操作系統FreeRTOS，由嵌入式操作系統實時監控充電、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。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，為鋰電池管理系統提供最原始的數據。該智能模塊兼有報警和散熱裝置，提高了系統的安全性。

關鍵詞：STM32芯片；鋰電池；智能控制模塊；實時監控

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

能源危機和環境污染日益加劇，燃油汽車的普及在推動工業進步和經濟發展的同時也加劇了環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定地運行，應為其配備完善的電池管理系統。

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

1系統的總體架構

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]。系統采用36節磷酸鐵鋰電池模擬動力電池組來完成設計，36節電池平均分配到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、數據采集模塊、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

電池管理系統的硬件模塊主要包括電源模塊、數據采集模塊、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、良好的用戶開發環境和低功耗等，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

系統實現了MCU與PC機之間的通信，可以通過上位機對電池管理系統的參數進行管理，同時將電池組當前的工作狀態實時地反饋給上位機。系統所采用的主控芯片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

為了提高系統的穩定性，進行CAN接口電路設計時需要考慮到隔離的問題，系統采用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收發器芯片，這款芯片集成了CAN隔離及CAN收發等功能。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，系統就會自動檢測到并發出警報，提示工作人員電池管理系統發生異常，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中一個至關重要的參數，系統采用了DS18B20進行溫度的測量。DS18B20是專用的數字溫度傳感器，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。支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，最多能并聯8個，實現多點測溫。但是如果數量過多，會使供電電源的電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定。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位數字量方式串行傳送。

由于本系統中的被采樣對象是36節磷酸鐵鋰電池，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的電池數量較多，所以本系統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

因為電池管理系統所要實現的功能較多而且復雜，需要實現數據的傳輸和實時顯示，所以傳統的前后臺操作系統軟件設計已經不能滿足本系統的要求。

為了更好地實現系統的實時性和多任務的執行，需要為本系統設計一款實時性高的操作系統。綜合考慮之后，決定采用嵌入式實時操作系統FreeRTOS作為本系統的操作系統[8]。FreeRTOS是Richard Barry公司開發的一款小型的可移植的嵌入式操作系統，FreeRtos的任務特性是簡單、沒有使用限制、支持搶占及支持優先級等優點，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傳統的燃油汽車，成為全世界的主流汽車。本系統設計和實現了電池管理系統的主要功能，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進行實時監測。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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[2]張金龍，佟微，漆漢宏.鋰電池發展淺談[J].電源技術，2017（9）： 1377-1379.

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

[4]韋德啟.電動汽車用鋰動力電池組均衡系統開發及其策略研究[D].安徽：合肥工業大學，2015：41-46.

[5]路?；?基于STM32F103ZET6的哦動力電池管理系統設計[D].南京：南京理工大學，2013：18-20.

[6]孫朝.鋰電池組均衡充電與管理系統設計[D].重慶：重慶大學，2013：43-45.

[7]梅永攀.基于STM32的電動汽車鋰電池電源管理系統研究[D].湖北：湖北工業大學，2013：19.

[8]夏鑫，張果，王劍平，等.實時操作系統FreeRTOS移植的實驗研究[J].化工自動化及儀表，2016（7）：720-721.