STM32的純電動汽車分體式電池管理系統(tǒng)設(shè)計*

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(1.青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，青島 266071；2.青島大學(xué) 圖書館)

引 言

隨著全球不可再生能源的不斷消耗和環(huán)境污染的不斷加劇，電動汽車由于其能源可再生以及對環(huán)境污染危害小等優(yōu)勢得到了政府和企業(yè)的重視。作為純電動汽車的動力來源之一，鋰離子電池具有單體電壓高、比能量大、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長等特性[1]。

高性能的電動汽車不僅需要具備良好的機械性能，而且應(yīng)該擁有一套可靠的電池管理系統(tǒng)BMS。在汽車運行過程中，電池管理系統(tǒng)BMS隨時監(jiān)控電池狀態(tài)，能保證動力電池始終處于最佳的工作狀態(tài)[2]。由于我國電池管理系統(tǒng)在技術(shù)上還不夠成熟，導(dǎo)致電池的穩(wěn)定性較差，甚至?xí)s短電池的使用壽命。因此，本設(shè)計在核心芯片上，選用ST公司的STM32F103RBT6控制芯片和Linear公司的LTC6803電池狀態(tài)檢測芯片，并采用分體式布局，將電池管理系統(tǒng)分為主控單元和數(shù)據(jù)采集單元。電池管理系統(tǒng)作為實時監(jiān)控、被動均衡、整體控制的電子部件，實現(xiàn)了保障安全、延長壽命、估算剩余電量的功能[3]。

1 系統(tǒng)硬件原理及設(shè)計

本設(shè)計采用分體式拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路，主要由主控單元和數(shù)據(jù)采集單元組成。主控單元、數(shù)據(jù)采集單元和整車控制器之間通過CAN總線進行實時通信，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主控單元設(shè)計

主控單元主要包括MCU及其外圍電路、電源模塊、握手信號檢測模塊、電流檢測模塊、CAN通信模塊和存儲模塊。

圖1 電池管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)框圖

1.1.1 MCU及其外圍電路

主控單元采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6芯片。作為電池管理系統(tǒng)的核心部件，主控單元需要與數(shù)據(jù)采集單元以及整車控制器進行通信，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行SOC估算等操作。而STM32具有很強的串行通信能力、多種通信接口和256 KB的閃存存儲器，相比較其他微處理器具有更高的處理能力和性價比。

1.1.2 電源模塊

電動汽車的24 V車載電源經(jīng)BF1207芯片濾波后，通過電源模塊中的URB2415YMD芯片將其DC/DC轉(zhuǎn)換至±15 V的直流電源并用于電路中運算放大器的供電，通過電阻分壓將24 V降至5 V用于電路中的數(shù)字器件供電以及5 V降至3.3 V用于微控制器的供電。電源模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

1.1.3 握手信號檢測模塊

圖3 霍爾傳感器電壓采集電路

握手信號檢測模塊的主要功能是連接充電設(shè)備與電池管理系統(tǒng)BMS。握手信號檢測模塊的工作過程如下：當充電設(shè)備上電后進行自檢，充電設(shè)備與電池管理系統(tǒng)通過周期性發(fā)送檢測信號并進行握手連接。握手成功后，電池管理系統(tǒng)根據(jù)自身狀況判斷是否需要充電，當允許充電時，周期性發(fā)送設(shè)置信號至充電設(shè)備進行充電；當不允許充電時，發(fā)送禁止充電信號至充電設(shè)備，禁止充電設(shè)備向電池充電。

1.1.4 電流檢測模塊

霍爾電流傳感器檢測模塊主要是通過檢測霍爾元件兩端的壓降從而計算出電流值。此模塊采用兩個TL072運算放大器組成電壓偏移電路和電壓跟隨器，其作用是將從控單元采集的±4 V電壓等效對應(yīng)至0～3.3 V之間電壓并供主控單元進行處理。其中二極管D11和D12在電路中起保護作用。各端點電壓計算如下所示：

(1)

(2)

current1輸入的±4 V電壓，經(jīng)該電路后轉(zhuǎn)變?yōu)?～3.3 V之間的可由單片機直接處理的電壓，從而計算得出輸入的電流。霍爾傳感器電流檢測電路如圖3所示。

1.1.5 CAN通信模塊

CAN總線通信技術(shù)具有可靠性高、傳輸距離長、傳輸速率高、實時性強等優(yōu)點[4]。CAN通信模塊采用ADI公司的ADM3053收發(fā)器。ADM3053是一款自帶有集成隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的CAN收發(fā)元件，簡化了外圍電路設(shè)計，增強了CAN通信的抗干擾性。

1.1.6 存儲模塊

存儲模塊分為Flash和EEPROM，它們都屬于掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。Flash模塊采用W25Q256芯片，它是256M位串行閃存，帶有雙/4路SPI，可以存儲數(shù)據(jù)。EEPROM模塊采用AT24C128C芯片，其提供131 072位串行電可擦除、可編程只讀存儲器，可以重新進行編程。在本設(shè)計中，存儲模塊中的Flash部分主要存儲采集單元以及MCU收集的各項數(shù)據(jù)，EEPROM部分主要用來存儲系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的各項故障信息以及報警信息。

1.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

為了更有效地監(jiān)測和管理電池的狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)必須實時監(jiān)測電池的工作電壓、電流和溫度。因此，數(shù)據(jù)采集單元的精確程度影響著電池管理系統(tǒng)的性能。與此同時，這也要求數(shù)據(jù)采集單元能夠在電池出現(xiàn)異常工作狀態(tài)時及時切斷電源、保護電池組[5]。

1.2.1 電壓采集模塊

本文采用Linear公司的LTC6803電池狀態(tài)檢測芯片作為電壓采集模塊的核心部件。這款芯片由一個12位ADC、精確的電壓基準、高壓輸入的多路復(fù)用器和串行接口組成[6]。每個LTC6803電池狀態(tài)檢測芯片能夠測量12個串聯(lián)的獨立電池單元電壓。

1.2.2 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊采用熱敏電阻。熱敏電阻是對溫度敏感的一類敏感元件，其常溫器件的溫度適應(yīng)范圍可達-55～+315 ℃，靈敏度高。熱敏電阻的電路搭建方便，且其阻值可以在0.1～100 kΩ間調(diào)控，在滿足精度要求的前提下，大大降低了電池管理系統(tǒng)的成本。

2 SOC估算及系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 SOC估算研究

目前，各研究機構(gòu)多采用開路電壓法、安時積分法以及卡爾曼濾波法和其改進方法估算電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)。開路電壓法操作簡單，但由于其精度不高，并且只能應(yīng)用于靜態(tài)檢測，使其使用范圍受限；安時積分法計算量小，可以實時監(jiān)測，但是由于其存在電流累計誤差效應(yīng)，故安時積分法的精度較低?，F(xiàn)在商業(yè)上常將開路電壓法和安時積分法結(jié)合使用，這種方法優(yōu)點是計算量小，成本低，缺點是誤差較大，約在8%左右?？柭鼮V波法考慮到了電池組循環(huán)以及溫度等因素的影響，通過不斷迭代，逐漸修正誤差，從而提高SOC估算的精度[7]。

針對電池組放電的非線性特性，本文選用安時積分法對SOC進行估算，并使用拓展卡爾曼濾波法來不斷提高數(shù)據(jù)的精準度，消除安時積分法的累計誤差。

目前工業(yè)上所公認的SOC定義是：在一定的放電倍率下，剩余容量與相同條件下額定容量的比值，即

(3)

其中，Ql為電池的剩余容量，Qn為額定容量。

但是此公式只適用于電池恒流放電的狀態(tài)。安時積分法的主要思路是通過實時檢測電池組充放電過程中的電流，計算電流在一定時間段內(nèi)的積分[8](即該時間段內(nèi)電池組充、放電電量的多少)，最終得出SOC的大小。其公式如下：

(4)

其中，SOC(t0)是位于t0時刻時，SOC的估算值。

在卡爾曼濾波法中，非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程可表示為:

Xk=f(Xk-1,Uk-1)+Wk-1

(5)

觀測方程可表示為：

Zk=g(Xk,Uk)+Vk

(6)

其中：k表示任意時間點；隨機變量Wk-1代表由系統(tǒng)擾動、建模不準確造成的過程噪聲以及電池老化對電池的影響系數(shù)；Vk表示由測量誤差等產(chǎn)生的觀測噪聲。式(3)中的非線性函數(shù)f將電池組(k-1)時刻的狀態(tài)映射到k時刻的狀態(tài)，式(4)中非線性函數(shù)g反映了狀態(tài)變量Xk和觀測變量Zk之間的關(guān)系。

使用泰勒級數(shù)對非線性的狀態(tài)方程和測量方程進行線性化可以求得拓展卡爾曼濾波的時間更新方程如下：

(7)

(8)

狀態(tài)更新方程如下：

(9)

(10)

(11)

因此為了對電池組進行準確的SOC估算，要準確測量SOC的初值，并盡可能減少電流測量值的誤差。因此，本文將安時積分法與卡爾曼濾波法相結(jié)合，通過安時積分法計算電池的剩余電量，并利用卡爾曼濾波法減少電流測量值的誤差，從而對電池組的SOC值進行準確估算。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件平臺為BMS功能的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，但是電池管理系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。在軟件設(shè)計中，要根據(jù)控制系統(tǒng)的要求分配軟件的任務(wù)并進行模塊化設(shè)計。

本設(shè)計使用C語言在Keil μVision4編譯環(huán)境下進行模塊化編程，考慮STM32F103寄存器的定義繁瑣，因此采用函數(shù)庫進行程序編寫，提高了代碼的易讀性和準確度[10]。軟件的程序框圖如圖4所示，BMS主控單元程序開始運行時，首先自檢是否處于正常狀態(tài)，如果系統(tǒng)產(chǎn)生故障，則立即記錄信息報警并中斷進程，保護電池和電池管理系統(tǒng)不受傷害；如果系統(tǒng)正常運行，則從數(shù)據(jù)采集單元收集溫度、電壓、電流等信息并匯總至主控單元進行SOC估算，最后將電池的各項信息反饋到整車控制器。

圖4 主從分布式電池管理系統(tǒng)主控程序框圖

3 實驗結(jié)果與分析

本次實驗的檢測電池采用的是18650三元鋰電池，其單節(jié)標稱電壓為3.7 V。實驗結(jié)果如表1所列。

表1 實驗數(shù)據(jù)

由表1可見，電池管理系統(tǒng)測得的電壓與電池兩端間的實際電壓誤差在±5 mV之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

在實驗室環(huán)境下，本設(shè)計的測試結(jié)果證明所設(shè)計的BMS對電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)能夠進行準確的實時監(jiān)測。主控制器模塊能夠?qū)崟r、準確地計算出電池的SOC并進行調(diào)控。當電池出現(xiàn)過充過放以及溫度異常狀態(tài)時，BMS能夠及時向整車控制器報警，保障電池的使用安全，延長了電池的使用壽命。

結(jié) 語

李欣陽(工學(xué)碩士)，主要研究領(lǐng)域為新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)；李立偉(教授)，主要研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)的智能監(jiān)測和狀態(tài)維修、可再生能源接入與智能配電網(wǎng)技術(shù)、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與控制、高速列車運行監(jiān)測及控制系統(tǒng)、新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)等。