齊延興，楊雪銀，王增玉

基于STM32的電動(dòng)汽車(chē)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊延興，楊雪銀，王增玉

（臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

文章設(shè)計(jì)了一款以STM32微處理器為核心的電動(dòng)汽車(chē)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)。采用安時(shí)計(jì)量法和卡爾曼濾波法相結(jié)合的SOC估算方法，通過(guò)均衡控制電路使每個(gè)電池的SOC值趨于一致。調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地解決了單體電池SOC值不一致的問(wèn)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(jī)和環(huán)境污染的日趨加重，全世界各國(guó)都已出臺(tái)或計(jì)劃出臺(tái)對(duì)燃油汽車(chē)的各種限制措施，在不久的將來(lái)將全面禁止燃油汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)由于無(wú)污染、高性能等優(yōu)勢(shì)，將成今后汽車(chē)發(fā)展方向[1-2]。

動(dòng)力電池組是電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，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(chē)載智能充電器項(xiàng)目的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)無(wú)論采用哪種電池，電池組在充電和使用過(guò)程中，每個(gè)電池的荷電狀態(tài)（SOC）會(huì)逐漸出現(xiàn)差異，電池的一致性變差。而最差的電池決定了電池組的標(biāo)稱(chēng)容量和使用效率，即符合“木桶效應(yīng)”，且時(shí)間越久，電池組的使用效率和使用壽命下降越快[3-4]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車(chē)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)，利用安時(shí)計(jì)量法和卡爾曼濾波法，對(duì)每個(gè)電池的SOC值進(jìn)行在線估算，同時(shí)設(shè)計(jì)均衡控制和保護(hù)電路，解決了電池一致性的問(wèn)題，提高了電池組的使用效率，延長(zhǎng)了使用壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以電動(dòng)汽車(chē)電池組作為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)采集單體電池的電壓、電流、溫度等信息，完成電池狀態(tài)監(jiān)控和SOC的在線估算，根據(jù)SOC的估算結(jié)果，對(duì)電池進(jìn)行均衡控制和保護(hù)，同時(shí)將檢測(cè)和控制信息傳送給上位機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)中控系統(tǒng)，因此，是一個(gè)以微處理器為核心，應(yīng)用傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[5-6]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)通信功能和以后升級(jí)的需要，本系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集電路、均衡控制電路、均衡保護(hù)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(gè)電池的SOC值，如果各個(gè)電池的SOC值不一致，開(kāi)啟均衡控制電路，使各個(gè)電池的電量逐漸一致。當(dāng)電池組出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放時(shí)，均衡保護(hù)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(guò)CAN總線和上位機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)中控系統(tǒng)通信，以傳輸采集的信息和SOC值。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微處理器STM32

為了便于實(shí)現(xiàn)通信功能和以后升級(jí)的需要，本設(shè)計(jì)選用了32位嵌入式單片機(jī)STM32F103。

該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的一款超低功耗32位微處理器，工作頻率高達(dá)72MHz。片內(nèi)具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及眾多的增強(qiáng)I/O口。所有外設(shè)可通過(guò)兩條APB總線相連，且都可匹配標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)采用差分電路和電壓跟隨器對(duì)每個(gè)單體電池進(jìn)行電壓采樣。同時(shí)，為了消除多個(gè)電池串聯(lián)引起的共地干擾問(wèn)題，利用N-MOS作為模擬開(kāi)關(guān)，保證任一時(shí)刻只有一組電路工作。

采用穿過(guò)式霍爾電流傳感器LTS6-NP來(lái)檢測(cè)充放電電流。LTS6-NP輸出的電壓信號(hào)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(guò)大時(shí)，會(huì)引起電池組溫度的快速上升，會(huì)導(dǎo)致電池組不能正常工作，因此，采用“一線式”數(shù)字式溫度傳感器DS18B20檢測(cè)每個(gè)電池的溫度。在設(shè)計(jì)中將DS18B20放置在電池的不同部位，以提升檢測(cè)精度。根據(jù)檢測(cè)的溫度，決定是否開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫。

2.3 均衡控制電路設(shè)計(jì)

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(kāi)關(guān)管。

圖3 均衡控制電路

以第1節(jié)電池BAT1和第2節(jié)電池BAT2工作過(guò)程為例。當(dāng)VBAT1=VBAT2，開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉，均衡控制電路不工作。當(dāng)VBAT1>VBAT2，均衡電路工作，Q1、Q4、Q5、Q8導(dǎo)通，Q2、Q3、Q6、Q7關(guān)閉。電容C1存儲(chǔ)電池BAT1流過(guò)來(lái)的電荷，電容C2把上一時(shí)刻從電池BAT1得到的電荷流向電池BAT2。當(dāng)VBAT1

飛渡電容C1和C2中的電荷是交替轉(zhuǎn)換的，電荷一直處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移中，均衡時(shí)間短，效率高。

2.4 均衡保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電池在使用過(guò)程中，若發(fā)生過(guò)充、過(guò)放或過(guò)電流，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的副反應(yīng)，影響電池的性能和壽命，甚至產(chǎn)生爆炸，因此需對(duì)電池組進(jìn)行必要的保護(hù)。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的均衡保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 均衡保護(hù)電路

由于STM32微處理器的I/O口電平為3.3V，故需加驅(qū)動(dòng)芯片TC4420驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q9、Q10。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，OUT1、OUT2的輸出為低電平，此時(shí)V1、V2導(dǎo)通，Q9、Q10也導(dǎo)通，電池組正常充放電；當(dāng)電池組電壓過(guò)高時(shí)，OUT1為高電平，OUT2為低電平，則V1、Q9截止，V2、Q10導(dǎo)通，禁止充電；當(dāng)電池組電壓過(guò)低時(shí)，OUT1為低電平，OUT2為高電平，則V1、Q9導(dǎo)通，V2、Q10截止，禁止放電。

3 SOC估算

電池檢測(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵在于SOC值的估算。SOC估算一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，估算方法有多種，如開(kāi)路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻法等，但都有不同程度的缺陷，往往采用多種方法結(jié)合來(lái)提高SOC估算的準(zhǔn)確性。本文采用安時(shí)計(jì)量法和卡爾曼濾波法相結(jié)合估算SOC值。

安時(shí)計(jì)量法是通過(guò)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)流入或流出電池的電量來(lái)計(jì)算SOC值。其計(jì)算公式為：

式中：n為額定容量；為庫(kù)侖效率。

但該方法存在兩個(gè)問(wèn)題：一是該方法本身不能估算初始SOC值，需測(cè)量開(kāi)路電壓來(lái)估算SOC0；二是庫(kù)侖效率難以準(zhǔn)確測(cè)量。

卡爾曼濾波可以消除安時(shí)計(jì)量法的累積誤差，對(duì)SOC值進(jìn)行精確估算[7-8]。

其輸出方程為：

狀態(tài)方程為：

式中：v()為系統(tǒng)噪聲；γ()為輸出噪聲。

估算器的表達(dá)為：

4 軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、SOC估算子程序、均衡控制子程序、均衡保護(hù)子程序、CAN通信程序。系統(tǒng)的工作流程為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行初始化及上電檢測(cè)，若采集信息正常，則植入SOC估算模型估算SOC值。根據(jù)SOC估算結(jié)果決定是否啟動(dòng)均衡控制和保護(hù)，同時(shí)將采集到的信息及SOC估算值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。若采集信息異常，則切斷電源。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的電動(dòng)汽車(chē)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心，利用采集到的電壓、電流、溫度信息，采用安時(shí)計(jì)量法和卡爾曼濾波法估算SOC值，以對(duì)電池進(jìn)行均衡控制和保護(hù)。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)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(yīng)用前景。

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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(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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