基于STM32的電動汽車電池檢測管理系統設計

齊延興，楊雪銀，王增玉

基于STM32的電動汽車電池檢測管理系統設計

齊延興，楊雪銀，王增玉

（臨沂大學 自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276005）

文章設計了一款以STM32微處理器為核心的電動汽車電池檢測管理系統。采用安時計量法和卡爾曼濾波法相結合的SOC估算方法，通過均衡控制電路使每個電池的SOC值趨于一致。調試和實驗結果表明，該系統有效地解決了單體電池SOC值不一致的問題，有效提升了電池的使用效率與壽命。

STM32；電池組；SOC值估算；均衡控制

1 研究意義

隨著全球能源危機和環境污染的日趨加重，全世界各國都已出臺或計劃出臺對燃油汽車的各種限制措施，在不久的將來將全面禁止燃油汽車。電動汽車由于無污染、高性能等優勢，將成今后汽車發展方向[1-2]。

動力電池組是電動汽車的主要動力源，目前主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池。前期在完成車載智能充電器項目的過程中，發現無論采用哪種電池，電池組在充電和使用過程中，每個電池的荷電狀態（SOC）會逐漸出現差異，電池的一致性變差。而最差的電池決定了電池組的標稱容量和使用效率，即符合“木桶效應”，且時間越久，電池組的使用效率和使用壽命下降越快[3-4]。基于此，本文設計了一款電動汽車電池檢測管理系統，利用安時計量法和卡爾曼濾波法，對每個電池的SOC值進行在線估算，同時設計均衡控制和保護電路，解決了電池一致性的問題，提高了電池組的使用效率，延長了使用壽命。

2 硬件設計

該系統是以電動汽車電池組作為研究對象，通過實時采集單體電池的電壓、電流、溫度等信息，完成電池狀態監控和SOC的在線估算，根據SOC的估算結果，對電池進行均衡控制和保護，同時將檢測和控制信息傳送給上位機和電動汽車中控系統，因此，是一個以微處理器為核心，應用傳感器技術和通信技術的實時控制系統[5-6]。為實現上述功能，同時便于實現通信功能和以后升級的需要，本系統選用STM32單片機作為控制核心，設計了數據采集電路、均衡控制電路、均衡保護電路、通信電路等。利用采集到的電壓、電流、溫度等信息，STM32微處理器估算出每個電池的SOC值，如果各個電池的SOC值不一致，開啟均衡控制電路，使各個電池的電量逐漸一致。當電池組出現過充或過放時，均衡保護電路切斷電池組的充電或放電回路，停止充電或放電。STM32微處理器通過CAN總線和上位機、電動汽車中控系統通信，以傳輸采集的信息和SOC值。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 微處理器STM32

為了便于實現通信功能和以后升級的需要，本設計選用了32位嵌入式單片機STM32F103。

該單片機是意法半導體公司推出的一款超低功耗32位微處理器，工作頻率高達72MHz。片內具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及眾多的增強I/O口。所有外設可通過兩條APB總線相連，且都可匹配標準的通信接口。

2.2 數據采集電路設計

為了克服電阻分壓其采樣精度隨電壓升高而降低的不足，本設計采用差分電路和電壓跟隨器對每個單體電池進行電壓采樣。同時，為了消除多個電池串聯引起的共地干擾問題，利用N-MOS作為模擬開關，保證任一時刻只有一組電路工作。

采用穿過式霍爾電流傳感器LTS6-NP來檢測充放電電流。LTS6-NP輸出的電壓信號接STM32的PA3。

電壓、電流采樣電路如圖2所示。

圖2 電壓電流采樣電路

電池組充放電電流過大時，會引起電池組溫度的快速上升，會導致電池組不能正常工作，因此，采用“一線式”數字式溫度傳感器DS18B20檢測每個電池的溫度。在設計中將DS18B20放置在電池的不同部位，以提升檢測精度。根據檢測的溫度，決定是否開啟風扇進行降溫。

2.3 均衡控制電路設計

為了使電池組中各單體電池的電量保持一致，采用了多飛渡電容均衡充電電路。均衡控制電路如圖3所示，圖中BAT表示電池、C表示飛渡電容、Q表示開關管。

圖3 均衡控制電路

以第1節電池BAT1和第2節電池BAT2工作過程為例。當VBAT1=VBAT2，開關管都關閉，均衡控制電路不工作。當VBAT1>VBAT2，均衡電路工作，Q1、Q4、Q5、Q8導通，Q2、Q3、Q6、Q7關閉。電容C1存儲電池BAT1流過來的電荷，電容C2把上一時刻從電池BAT1得到的電荷流向電池BAT2。當VBAT1

飛渡電容C1和C2中的電荷是交替轉換的，電荷一直處于動態轉移中，均衡時間短，效率高。

2.4 均衡保護電路設計

電池在使用過程中，若發生過充、過放或過電流，會產生強烈的副反應，影響電池的性能和壽命，甚至產生爆炸，因此需對電池組進行必要的保護。本系統所設計的均衡保護電路如圖4所示。

圖4 均衡保護電路

由于STM32微處理器的I/O口電平為3.3V，故需加驅動芯片TC4420驅動開關管Q9、Q10。當系統正常時，OUT1、OUT2的輸出為低電平，此時V1、V2導通，Q9、Q10也導通，電池組正常充放電；當電池組電壓過高時，OUT1為高電平，OUT2為低電平，則V1、Q9截止，V2、Q10導通，禁止充電；當電池組電壓過低時，OUT1為低電平，OUT2為高電平，則V1、Q9導通，V2、Q10截止，禁止放電。

3 SOC估算

電池檢測管理系統的關鍵在于SOC值的估算。SOC估算一直是國內外研究的熱點，估算方法有多種，如開路電壓法、安時計量法、內阻法等，但都有不同程度的缺陷，往往采用多種方法結合來提高SOC估算的準確性。本文采用安時計量法和卡爾曼濾波法相結合估算SOC值。

安時計量法是通過計算一段時間內流入或流出電池的電量來計算SOC值。其計算公式為：

式中：n為額定容量；為庫侖效率。

但該方法存在兩個問題：一是該方法本身不能估算初始SOC值，需測量開路電壓來估算SOC0；二是庫侖效率難以準確測量。

卡爾曼濾波可以消除安時計量法的累積誤差，對SOC值進行精確估算[7-8]。

其輸出方程為：

狀態方程為：

式中：v()為系統噪聲；γ()為輸出噪聲。

估算器的表達為：

4 軟件設計

電動汽車電池檢測管理系統軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設計，包括主程序、數據采集子程序、SOC估算子程序、均衡控制子程序、均衡保護子程序、CAN通信程序。系統的工作流程為：啟動系統后進行初始化及上電檢測，若采集信息正常，則植入SOC估算模型估算SOC值。根據SOC估算結果決定是否啟動均衡控制和保護，同時將采集到的信息及SOC估算值傳輸到上位機。若采集信息異常，則切斷電源。系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 總結

本文設計了一款基于STM32的電動汽車電池檢測管理系統。系統以STM32F103單片機為核心，利用采集到的電壓、電流、溫度信息，采用安時計量法和卡爾曼濾波法估算SOC值，以對電池進行均衡控制和保護。該系統經調試和實驗運行，各項指標穩定可靠，大大提升了電池的使用效率和使用壽命，具有廣泛的應用前景。

[1] 胡堋湫,譚澤富.電動汽車綜述[J].電氣應用,2018(20):79-85.

[2] 周楚昊.電動汽車的電池管理系統綜述,2019,26(1):155-156.

[3] 王建南.電動汽車電池管理系統研究[D].安徽:安徽理工大學, 2018.

[4] 林芳.基于ARM的純電動汽車電池管理系統設計[D].陜西:西安科技大學,2013.

[5] 李欣陽,楊玉新.STM32的純電動汽車分體式電池管理系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2018(9):51-54.

[6] 王繼鋒,蔡啟仲.純電動觀光車電池檢測系統設計[J].廣西工學院學報,2013,24(1):55-60.

[7] 安志勝,孫志毅.基于模糊卡爾曼濾波的鋰電池SOC估算方法[J].火力與指揮控制,2014,39(4):137-140.

[8] 黃宇航,陳勇.基于模糊卡爾曼濾波的鋰電池SOC估算研究[J].北京信息科技大學學報,2019,34(3):48-52.

Design of Electric Vehicle Battery Test Management System Based on STM32

Qi Yanxing, Yang Xueyin, Wang Zengyu

( College of automation and electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

This paper designed an electric vehicle battery management system based on STM32 microprocessor. The SOC estimation method combined with Ampere-Hour method and kalman filter method was used to make the SOC value of each battery tend to be consistent by equalizing control circuit. Debugging and experimental results show that the system can effectively solve the problem of inconsistent SOC value of single cell, and effectively improve the efficiency and life of battery.

STM32; Battery Pack; SOC Estimate; Equalizing Control

A

U462

A

1671-7988(2019)21-06-03

齊延興（1978-），男，就職于臨沂大學自動化與電氣工程學院，從事教師工作。

CLC NO.: U462

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.002

1671-7988(2019)21-06-03