基于STM32的电动汽车电池检测管理系统设计

齐延兴，杨雪银，王增玉

基于STM32的电动汽车电池检测管理系统设计

齐延兴，杨雪银，王增玉

（临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276005）

文章设计了一款以STM32微处理器为核心的电动汽车电池检测管理系统。采用安时计量法和卡尔曼滤波法相结合的SOC估算方法，通过均衡控制电路使每个电池的SOC值趋于一致。调试和实验结果表明，该系统有效地解决了单体电池SOC值不一致的问题，有效提升了电池的使用效率与寿命。

STM32；电池组；SOC值估算；均衡控制

1 研究意义

随着全球能源危机和环境污染的日趋加重，全世界各国都已出台或计划出台对燃油汽车的各种限制措施，在不久的将来将全面禁止燃油汽车。电动汽车由于无污染、高性能等优势，将成今后汽车发展方向[1-2]。

动力电池组是电动汽车的主要动力源，目前主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。前期在完成车载智能充电器项目的过程中，发现无论采用哪种电池，电池组在充电和使用过程中，每个电池的荷电状态（SOC）会逐渐出现差异，电池的一致性变差。而最差的电池决定了电池组的标称容量和使用效率，即符合“木桶效应”，且时间越久，电池组的使用效率和使用寿命下降越快[3-4]。基于此，本文设计了一款电动汽车电池检测管理系统，利用安时计量法和卡尔曼滤波法，对每个电池的SOC值进行在线估算，同时设计均衡控制和保护电路，解决了电池一致性的问题，提高了电池组的使用效率，延长了使用寿命。

2 硬件设计

该系统是以电动汽车电池组作为研究对象，通过实时采集单体电池的电压、电流、温度等信息，完成电池状态监控和SOC的在线估算，根据SOC的估算结果，对电池进行均衡控制和保护，同时将检测和控制信息传送给上位机和电动汽车中控系统，因此，是一个以微处理器为核心，应用传感器技术和通信技术的实时控制系统[5-6]。为实现上述功能，同时便于实现通信功能和以后升级的需要，本系统选用STM32单片机作为控制核心，设计了数据采集电路、均衡控制电路、均衡保护电路、通信电路等。利用采集到的电压、电流、温度等信息，STM32微处理器估算出每个电池的SOC值，如果各个电池的SOC值不一致，开启均衡控制电路，使各个电池的电量逐渐一致。当电池组出现过充或过放时，均衡保护电路切断电池组的充电或放电回路，停止充电或放电。STM32微处理器通过CAN总线和上位机、电动汽车中控系统通信，以传输采集的信息和SOC值。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.1 微处理器STM32

为了便于实现通信功能和以后升级的需要，本设计选用了32位嵌入式单片机STM32F103。

该单片机是意法半导体公司推出的一款超低功耗32位微处理器，工作频率高达72MHz。片内具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及众多的增强I/O口。所有外设可通过两条APB总线相连，且都可匹配标准的通信接口。

2.2 数据采集电路设计

为了克服电阻分压其采样精度随电压升高而降低的不足，本设计采用差分电路和电压跟随器对每个单体电池进行电压采样。同时，为了消除多个电池串联引起的共地干扰问题，利用N-MOS作为模拟开关，保证任一时刻只有一组电路工作。

采用穿过式霍尔电流传感器LTS6-NP来检测充放电电流。LTS6-NP输出的电压信号接STM32的PA3。

电压、电流采样电路如图2所示。

图2 电压电流采样电路

电池组充放电电流过大时，会引起电池组温度的快速上升，会导致电池组不能正常工作，因此，采用“一线式”数字式温度传感器DS18B20检测每个电池的温度。在设计中将DS18B20放置在电池的不同部位，以提升检测精度。根据检测的温度，决定是否开启风扇进行降温。

2.3 均衡控制电路设计

为了使电池组中各单体电池的电量保持一致，采用了多飞渡电容均衡充电电路。均衡控制电路如图3所示，图中BAT表示电池、C表示飞渡电容、Q表示开关管。

图3 均衡控制电路

以第1节电池BAT1和第2节电池BAT2工作过程为例。当VBAT1=VBAT2，开关管都关闭，均衡控制电路不工作。当VBAT1>VBAT2，均衡电路工作，Q1、Q4、Q5、Q8导通，Q2、Q3、Q6、Q7关闭。电容C1存储电池BAT1流过来的电荷，电容C2把上一时刻从电池BAT1得到的电荷流向电池BAT2。当VBAT1

飞渡电容C1和C2中的电荷是交替转换的，电荷一直处于动态转移中，均衡时间短，效率高。

2.4 均衡保护电路设计

电池在使用过程中，若发生过充、过放或过电流，会产生强烈的副反应，影响电池的性能和寿命，甚至产生爆炸，因此需对电池组进行必要的保护。本系统所设计的均衡保护电路如图4所示。

图4 均衡保护电路

由于STM32微处理器的I/O口电平为3.3V，故需加驱动芯片TC4420驱动开关管Q9、Q10。当系统正常时，OUT1、OUT2的输出为低电平，此时V1、V2导通，Q9、Q10也导通，电池组正常充放电；当电池组电压过高时，OUT1为高电平，OUT2为低电平，则V1、Q9截止，V2、Q10导通，禁止充电；当电池组电压过低时，OUT1为低电平，OUT2为高电平，则V1、Q9导通，V2、Q10截止，禁止放电。

3 SOC估算

电池检测管理系统的关键在于SOC值的估算。SOC估算一直是国内外研究的热点，估算方法有多种，如开路电压法、安时计量法、内阻法等，但都有不同程度的缺陷，往往采用多种方法结合来提高SOC估算的准确性。本文采用安时计量法和卡尔曼滤波法相结合估算SOC值。

安时计量法是通过计算一段时间内流入或流出电池的电量来计算SOC值。其计算公式为：

式中：n为额定容量；为库仑效率。

但该方法存在两个问题：一是该方法本身不能估算初始SOC值，需测量开路电压来估算SOC0；二是库仑效率难以准确测量。

卡尔曼滤波可以消除安时计量法的累积误差，对SOC值进行精确估算[7-8]。

其输出方程为：

状态方程为：

式中：v()为系统噪声；γ()为输出噪声。

估算器的表达为：

4 软件设计

电动汽车电池检测管理系统软件采用C语言编写，采用模块化程序设计，包括主程序、数据采集子程序、SOC估算子程序、均衡控制子程序、均衡保护子程序、CAN通信程序。系统的工作流程为：启动系统后进行初始化及上电检测，若采集信息正常，则植入SOC估算模型估算SOC值。根据SOC估算结果决定是否启动均衡控制和保护，同时将采集到的信息及SOC估算值传输到上位机。若采集信息异常，则切断电源。系统主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

5 总结

本文设计了一款基于STM32的电动汽车电池检测管理系统。系统以STM32F103单片机为核心，利用采集到的电压、电流、温度信息，采用安时计量法和卡尔曼滤波法估算SOC值，以对电池进行均衡控制和保护。该系统经调试和实验运行，各项指标稳定可靠，大大提升了电池的使用效率和使用寿命，具有广泛的应用前景。

[1] 胡堋湫,谭泽富.电动汽车综述[J].电气应用,2018(20):79-85.

[2] 周楚昊.电动汽车的电池管理系统综述,2019,26(1):155-156.

[3] 王建南.电动汽车电池管理系统研究[D].安徽:安徽理工大学, 2018.

[4] 林芳.基于ARM的纯电动汽车电池管理系统设计[D].陕西:西安科技大学,2013.

[5] 李欣阳,杨玉新.STM32的纯电动汽车分体式电池管理系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2018(9):51-54.

[6] 王继锋,蔡启仲.纯电动观光车电池检测系统设计[J].广西工学院学报,2013,24(1):55-60.

[7] 安志胜,孙志毅.基于模糊卡尔曼滤波的锂电池SOC估算方法[J].火力与指挥控制,2014,39(4):137-140.

[8] 黄宇航,陈勇.基于模糊卡尔曼滤波的锂电池SOC估算研究[J].北京信息科技大学学报,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

齐延兴（1978-），男，就职于临沂大学自动化与电气工程学院，从事教师工作。

CLC NO.: U462

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.002

1671-7988(2019)21-06-03