基于STM32F103RCT6的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

張洪濤， 夏耀威

( 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)

0 引 言

國(guó)外對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)研究較早，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)投入的大量的人力財(cái)力對(duì)電池管理系統(tǒng)的理論和應(yīng)用進(jìn)行深入研究，目前設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)應(yīng)用較廣。TESLA是美國(guó)一家新能源公司，它的電池管理技術(shù)領(lǐng)先全球，其中一款最新的電池管理系統(tǒng)可以安全管理7000塊鋰電池，將其應(yīng)用到Model S 型汽車上，續(xù)航里程高達(dá)500公里[1]；日本豐田公司旗下的油電混動(dòng)汽車具有動(dòng)力強(qiáng)、油耗低的特點(diǎn)，能夠達(dá)到這種節(jié)能減排的效果，歸功于它的電池管理系統(tǒng)[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究起步較晚，技術(shù)上不如發(fā)達(dá)國(guó)家。但隨著國(guó)家對(duì)綠色、低碳發(fā)展的重視，新能源、電動(dòng)汽車等行業(yè)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[3]為了延長(zhǎng)電動(dòng)汽車電池的使用壽命，基于飛思卡爾單片機(jī)開(kāi)發(fā)出一款鋰電池管理系統(tǒng)，能夠?qū)﹄姵亟M中的每塊電池的電壓、電流及溫度進(jìn)行測(cè)量的采集，并采用局域網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行控制，調(diào)試結(jié)果顯示，該款電池管理系統(tǒng)有較大的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[4]基于TMS320F2812控制器設(shè)計(jì)出一款電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件電路由多個(gè)模塊組成，主要包括電池組電壓、電流、溫度采集電路，均衡控制電路、A/D保護(hù)電路、二階采樣電路、安全檢測(cè)電路和CAN電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)δ軌驕?zhǔn)確采集電池狀態(tài)信息。

電池管理系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了一定的發(fā)展，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但一些關(guān)鍵技術(shù)難題仍然沒(méi)有被攻破，比如電池SOC的估算精度以及蓄電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步研究。

1 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分主要包括主控模塊選型，電流、電壓、溫度測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)以及CAN總線通信電路的設(shè)計(jì)等，總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)思路

1.1 主控芯片選型

主控芯片是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理。通過(guò)分析比較，本文最終選擇型號(hào)為STM32F103RCT6微型處理器，它的特點(diǎn)是造價(jià)低、性能好、功耗低，STM32F103RCT6的詳細(xì)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[5]。

1.2 電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電流是鋰電池SOC估算模型的輸入?yún)⒘?，電流測(cè)量值的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響鋰電池SOC的估算結(jié)果[6]。為了得到更準(zhǔn)確地電流值，本文選取電流傳感器的型號(hào)為HTB100-P，它是由LEM開(kāi)發(fā)的一款磁場(chǎng)平衡式電流傳感器，具有絕緣性能好、測(cè)量快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。HTB100-P能夠適應(yīng)10℃～+60℃的工作的溫度，其電源電壓為±15V，最大測(cè)量電流是50A，HTB100-P的采樣原理如圖2所示。

圖2 HTB100-P的采樣原理圖

1.3 電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電壓能夠反映鋰電池的整體狀況，也是鋰電池SOC估算模型的輸入?yún)⒘縖7]。本文采用型號(hào)為AD7280A電池管理芯片進(jìn)行電壓采集鋰，該芯片是由ADI公司開(kāi)發(fā)的，具有12bit的數(shù)據(jù)通道，每個(gè)通道相互轉(zhuǎn)換的時(shí)間僅為10-3毫秒。AD7280A電壓管理芯片溫度適應(yīng)性較好，可在-40℃～105℃的范圍內(nèi)正常工作。該芯片測(cè)量電壓的范圍是8V～30V，既能單片使用，也能以菊花鏈的形式連接后多片使用，電壓測(cè)量精度為2mV。AD7280A的電壓采集電路如圖3所示。

圖3 AD7280A的電壓采集電路

1.4 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

鋰電池在充放電過(guò)程中，表面溫度的升高會(huì)使電池內(nèi)部的化學(xué)成分法發(fā)生變化，降低安全性，也會(huì)加快電池的老化。溫度也是鋰電池SOC估算模型的輸入?yún)⒘浚瑴囟葴y(cè)量的精確與否會(huì)直接影響SOC的估算結(jié)果[8]。本文采用型號(hào)為NTC10K的熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)量電路如圖4所示，測(cè)量時(shí)，將6個(gè)NTC10K熱敏電阻分別接入AD7280A的AUX1～AUX6通道。

圖4 溫度測(cè)量電路

1.5 CAN通信電路設(shè)計(jì)

CAN，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信具有硬件連接方便、可靠穩(wěn)定且成本較低的特點(diǎn)，在電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。本文采用BOSCH開(kāi)發(fā)的一款產(chǎn)品，其電路圖如圖5所示。該款CAN總線通信的隔離芯片采用工作電壓為5V的ISO1050共模電壓的范圍是-12V～12V，額定運(yùn)行溫度為-55℃～105℃，其中電阻R115的作用是增大TXD電流,。

圖5 CAN電路圖

2 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)是在處理器STM32F103RCT6的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，電流、電壓、溫度以及CAN通信等硬件電路需要系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制，當(dāng)鋰電池正常充放電時(shí)，電流、電壓、溫度等傳感器采集到相關(guān)數(shù)據(jù)保存下來(lái)，經(jīng)CAN總線處理后將數(shù)據(jù)輸入估算模型[9]，部分流程如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 子程序設(shè)計(jì)

(1)電流采集程序設(shè)計(jì)

電流采集程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。采用前，應(yīng)先將STM32F103RCT6處理器的ADC通道初始化，便于I/O端口能夠接受到電流信號(hào)。另外需要將ADC設(shè)置為連續(xù)裝換模式，便于數(shù)模轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)能夠進(jìn)行DMA傳輸。

圖7 電流采集程序設(shè)計(jì)流程圖

(2)電壓、溫度采集程序設(shè)計(jì)

本文電壓采集芯片采用的是AD7280A，由于熱敏電阻NTC10K接在電壓采集芯片上，因此將電壓和溫度的采集子程序一起設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。AD7280A芯片對(duì)電壓和溫度進(jìn)行采集時(shí)的輸入端均為8路，采樣周期為400ns。采樣應(yīng)在CNVST控制寄存器為0時(shí)開(kāi)始，采用過(guò)程中使用CRC進(jìn)行校驗(yàn)，這樣可以提高A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)恼_率。

圖8 電壓、溫度采集程序設(shè)計(jì)流程圖

(3)CAN總線通信程序設(shè)計(jì)

為了完成數(shù)據(jù)交換以及傳達(dá)控制指令，需要對(duì)CAN通信子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，CAN總線通信是通過(guò)CAN控制器實(shí)現(xiàn)的，控制器通過(guò)寄存器對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接受。本設(shè)計(jì)的CAN發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的流程如圖9所示。

圖9 CAN發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的流程圖

3 測(cè)量系統(tǒng)性能測(cè)試

為了完成電池管理系統(tǒng)的測(cè)試，選取8節(jié)額定電壓為4.2V，容量為1.75A·h的LiFePO4電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將測(cè)試系統(tǒng)采集到的電流值、電壓值、溫度值分別與實(shí)際值進(jìn)行比較，電流、電壓、溫度采集值與實(shí)際值對(duì)比情況分別如表1～3所示。

表1 電流采集值與實(shí)際值

表2 電壓采集值與實(shí)際值

表3 電流采集值與實(shí)際值

由表1～3可知，本文設(shè)計(jì)的估算系統(tǒng)對(duì)電流、電壓和溫度的采集數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均控制在2%以內(nèi)，采集效果較好。

4 結(jié) 論

(1)完成了鋰電池管理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括主控芯片選型，電流、電壓、溫度采集傳感器選型及其電路設(shè)計(jì)，以及CAN總線通信芯片的選型和電路設(shè)計(jì)。

(2)完成了鋰電池管理系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)，在處理器STM32F103RCT6的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電流、電壓、溫度采集程序和CAN總線通信程序設(shè)計(jì)。

(3)完成了鋰電池管理系統(tǒng)的性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的估算系統(tǒng)對(duì)電流、電壓和溫度的采集數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均控制在2%以內(nèi)，采集效果較好。