賈華 黃熠

摘要：針對新能源電動(dòng)汽車提出了一套完整的電池管理系統(tǒng)方案，采用STM32芯片作為主控芯片并架構(gòu)嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS，由嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控充電、放電的過程，并且在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示鋰電池組的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路采集主控板上的總電壓、電流和子模塊上的單體電壓、溫度等參數(shù)，為鋰電池管理系統(tǒng)提供最原始的數(shù)據(jù)。該智能模塊兼有報(bào)警和散熱裝置，提高了系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵詞：STM32芯片；鋰電池；智能控制模塊；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2018）09-58-3

Design on Lithium Battery Management System of Electric Vehicle Based on STM32

JIA Hua， HUANG Yi（Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou Inner Mongolia 014010， China）

0引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加劇，燃油汽車的普及在推動(dòng)工業(yè)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也加劇了環(huán)境的惡化和能源的消耗。電動(dòng)汽車相比燃油汽車，具有無污染、噪聲小及能源利用率高等特點(diǎn)，逐漸替代了原有的交通工具，成為未來汽車發(fā)展方向之一[1]。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部分之一，為電動(dòng)汽車提供能量的來源。為了使電動(dòng)汽車能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，應(yīng)為其配備完善的電池管理系統(tǒng)。

國外在早些時(shí)候就已經(jīng)開始了對電動(dòng)汽車的研究，在電池管理和控制方面，已經(jīng)形成了一套比較完善的理論體系；國內(nèi)對電池管理系統(tǒng)的研究較晚，不過在目前也已經(jīng)取得了重大的突破[2]。

1系統(tǒng)的總體架構(gòu)

考慮到鋰電池的成本、壽命、體積和安全性等各個(gè)方面的因素，系統(tǒng)最終決定采用磷酸鐵鋰電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池使用。磷酸鐵鋰電池是一種新型的鋰離子電池，額定電壓是3.2 V，充電終止電壓是3.7 V，放電終止電壓是2.0 V[3]。系統(tǒng)采用36節(jié)磷酸鐵鋰電池模擬動(dòng)力電池組來完成設(shè)計(jì)，36節(jié)電池平均分配到3個(gè)采集板進(jìn)行信號(hào)的采集，采集板與主控板之間采用CAN總線進(jìn)行通信連接。

系統(tǒng)的硬件電路分為主控制板電路和采集板電路，主控制板電路主要由主控制芯片STM32、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊及人機(jī)交互模塊等組成，采集板電路主要由溫度采集模塊和單體電池電壓采集模塊組成[4]，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1主控板電路設(shè)計(jì)

2.1.1主控芯片的選取

電池管理系統(tǒng)的硬件模塊主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊及報(bào)警模塊等，這些模塊使得主控制板所要處理的信息量明顯增加。STM32F103ZET6擁有較快的運(yùn)算速度、多任務(wù)的處理能力、豐富的片內(nèi)外設(shè)資源、較大的存儲(chǔ)容量、良好的用戶開發(fā)環(huán)境和低功耗等，集高性能、低功耗、低成本于一體[5]，非常適合作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片。

2.1.2電池組總電壓采集電路

系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器HNV-025A進(jìn)行總電壓的采集。HNV-025A型霍爾傳感器是利用磁補(bǔ)償原理的一種電壓傳感器，能夠測量直流、交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的[6]。此傳感器適用的測量電壓范圍為10～500 V，初級(jí)額定電流為±10 mA，次級(jí)額定電流為±25 mA，原邊和副邊的匝數(shù)比為2 500：1 000，連線圖如圖2所示。

為了使傳感器達(dá)到最佳的精度，通過選擇i大小，使得輸入電流為10 mA，通過改變m的阻值，可以改變輸出電壓的大小。

2.1.3串口通信電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MCU與PC機(jī)之間的通信，可以通過上位機(jī)對電池管理系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行管理，同時(shí)將電池組當(dāng)前的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)地反饋給上位機(jī)。系統(tǒng)所采用的主控芯片STM32包含3個(gè)USART和2個(gè)UART，只需要擴(kuò)展電平轉(zhuǎn)換電路就可以完成與CPU的連接。本系統(tǒng)采用MAX232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，完成MCU與PC機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換。

2.1.4 CAN通信電路的設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行CAN接口電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到隔離的問題，系統(tǒng)采用CTM8251A完成主控制板和采集板之間的通信連接。CTM8251A是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，這款芯片集成了CAN隔離及CAN收發(fā)等功能。3個(gè)采樣板通過CAN總線與主控制板進(jìn)行通信，主控制板與采集板連接示意圖如圖3所示。

2.1.5報(bào)警電路

當(dāng)電池組中單體電池間的電壓過高或者過低、溫度過高或者過低、電流過大、電池間的剩余容量差距過大時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)檢測到并發(fā)出警報(bào)，提示工作人員電池管理系統(tǒng)發(fā)生異常，報(bào)警電路可以采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2.1.6 LCD電路設(shè)計(jì)

顯示工具采用的是TFT-LCD，本文直接采用的是一款集成的LCD模塊，該模塊上集成了ILI9341控制器、驅(qū)動(dòng)器和觸摸芯片XPT2046。

2.2采集板電路設(shè)計(jì)

2.2.1溫度采集電路設(shè)計(jì)

鋰電池的溫度是鋰電池管理系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，系統(tǒng)采用了DS18B20進(jìn)行溫度的測量。DS18B20是專用的數(shù)字溫度傳感器，擁有獨(dú)特的單總線接口方式，MCU與DS18B20的通信僅需要一根線就能夠進(jìn)行，很大程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。芯片的測溫范圍是-55℃～+125℃，并且擁有超高的測量精度。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。但是如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源的電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。工作電源范圍為直流3.0～5.5V。在使用中不需要任何外圍元件。測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

由于本系統(tǒng)中的被采樣對象是36節(jié)磷酸鐵鋰電池，工作電壓較高。因此溫度傳感器不能直接與鋰電池組連接，必須將鋰電池組和溫度傳感器隔離開。本系統(tǒng)為了提高安全性，采用了光耦隔離器6N137對MCU和測溫模塊進(jìn)行隔離，并且使用IB0505LS-1W為隔離芯片單獨(dú)供電。2.2.2單體電池電壓采集電路設(shè)計(jì)

測量單體電池的電壓是電池管理系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)步驟，對其測量的精度要求較高，并且電池組中串并聯(lián)的電池?cái)?shù)量較多，所以本系統(tǒng)決定采用差模測量的方法測量單體電池的電壓，如圖4所示，單體電池經(jīng)過光耦隔離器之后，進(jìn)入差分采樣模塊進(jìn)行電壓采集[7]。

3軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能較多而且復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和實(shí)時(shí)顯示，所以傳統(tǒng)的前后臺(tái)操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足本系統(tǒng)的要求。

為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的執(zhí)行，需要為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)性高的操作系統(tǒng)。綜合考慮之后，決定采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)[8]。FreeRTOS是Richard Barry公司開發(fā)的一款小型的可移植的嵌入式操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRtos的任務(wù)特性是簡單、沒有使用限制、支持搶占及支持優(yōu)先級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，不過由于每個(gè)任務(wù)都擁有堆棧，導(dǎo)致了RAM使用量增大，如果使用搶占的話必須仔細(xì)地考慮重入的問題。

4結(jié)束語

隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的不斷加重，在不久的將來，新能源電動(dòng)汽車必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車，成為全世界的主流汽車。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)的主要功能，并且對所設(shè)計(jì)的硬件和軟件部分進(jìn)行了調(diào)試，完成了電池電壓、電流溫度等的實(shí)時(shí)測量并通過嵌入式完成界面的設(shè)計(jì)，能夠?qū)﹄姵毓芾硐到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。但在SOC的測量和電池均衡管理方面還存在著不足的地方，未來還需要引進(jìn)更加科學(xué)的算法來完善電路設(shè)計(jì)。另外，對于電動(dòng)汽車鋰電池的安全性和續(xù)航性等問題，還需要更加科學(xué)的理論和實(shí)踐來不斷完善。

參考文獻(xiàn)

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