基于STM32和CAN總線的電動車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

隨著電池能源的廣泛應(yīng)用，石油資源的枯竭和環(huán)境污染，電動汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢引起越來越多的重視，在電動汽車的研究和發(fā)展上，車載電池及其管理系統(tǒng)的研究與制造占據(jù)著重要位置。電動汽車動力電池在應(yīng)用中的主要問題表現(xiàn)在：生產(chǎn)過程中，電池的工藝，技術(shù)以及成組技術(shù)還不能保證其初始性能具有良好的一致性;使用過程中，對過充電、過放電、過溫度、過電流等非常敏感，這類情況的發(fā)生會明顯縮短電池壽命，甚至會導致電池報廢。電池組是幾十個甚至上百個單體電池串聯(lián)，單體電池之間存在不一致性，隨著連續(xù)的充放電循環(huán)，電池間的不一致性加劇，電池組的可用容量受容量最小的單體電池制約。對于這些情況，電池的初始性能必須要依靠企業(yè)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)的控制來改善，而使用過程中出現(xiàn)的問題則需要電池管理系統(tǒng)來解決。本設(shè)計是以STM32F107 為核心的主控制器通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)控制以C8051F500單片機為核心的電池組信息采集和基本控制模塊工作及獲取數(shù)據(jù)。主要實現(xiàn)了單體電池的過壓放電均衡，過流保護、過溫保護、過放電保護以及通過上級控制器匯報并存儲整體電池組的工作狀態(tài)。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)所監(jiān)控管理的電池包組成結(jié)構(gòu)為：先將一定數(shù)目的鋰離子電池串聯(lián)，將若干電池串并聯(lián)成一電池組，最后將若干電池組串聯(lián)構(gòu)成整體的電池包，這種串并聯(lián)復用的組織形式有利于進行單串電池的充放電起停操作，降低使用過程中產(chǎn)生的電池容量不一致性。管理系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示，每個電池串配置一個二級控制器監(jiān)測管理，采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)并上傳，控制電池串起停與均衡操作，一級控制器為雙CAN控制器結(jié)構(gòu)，CAN1控制器與二級控制器組成電池組的CAN 網(wǎng)絡(luò)，CAN2控制器與主控板電池包組成內(nèi)部一級CAN總線網(wǎng)絡(luò)，負責向主控板匯報該電池組工作情況及向下屬二級控制器傳達指令，主控制板的CAN2控制器則接入整車CAN總線。由于各電池組為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電壓的遞增關(guān)系影響到二級控制器，故而供電時需經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換。

1.2 主控制器、一級控制器架構(gòu)

主控制器，一級控制器的核心控制由意法半導體的STFM32F107完成，STM32F107是一款高性能、低成本、低功耗的32位RISC微處理器，采用ARMCortex-M3的內(nèi)核，內(nèi)部含有256 kB的Flash和64 kB的SRAM，有著充足的編程空間，主頻為72 MHz，足以承擔對下級控制器的實時管理。所包含外設(shè)有：基本的電源電路、復位電路、標準JTAG調(diào)試口、雙CAN物理層電路、EEPROM存儲器，對于本系統(tǒng)設(shè)計來說是最佳方案。

1.3 二級控制器架構(gòu)

由于鋰離子電池單體電壓較小，一般約為4 V，而整體電池包電壓則高達數(shù)百伏，單串電池長度也在15個以上，而目前常用的電池測量芯片成本較高且只能監(jiān)測6節(jié)或12節(jié)電池電壓，綜合考慮決定以 C8051F500為核心設(shè)計二級控制器，這種設(shè)計相較于專用電池測量芯片而言，缺點是精度較低，優(yōu)點是可以對所測量的數(shù)據(jù)先進行計算處理，不完全依賴上級控制器的指令。

C8051FS00處理器按AEC-Q100測試標準設(shè)計，具有寬工作電壓、寬工作溫度范圍、抗干擾能力強并內(nèi)置CAN及LIN總線控制器，適合汽車電子及工業(yè)控制方面的應(yīng)用。該芯片具有32路I/O口，接口數(shù)滿足監(jiān)控電池串工作的需要，具有12 bit的ADC，每個通道的最小建立時間《50μs即巡檢一個循環(huán)的總時間《1 ms，足以支持對于電池串的實時監(jiān)控，控制器架構(gòu)如圖2所示。

其中帶隔離驅(qū)動的CAN總線物理層電路如圖3所示，此外還有DC/DC電源，C2在線調(diào)試接口等外部設(shè)備。

2 軟件設(shè)計

2.1 二級控制器軟件流程

(1)系數(shù)修正程序。因為電池總數(shù)極多，為降低系統(tǒng)的成產(chǎn)成本和占用空間，電壓測量采用較為簡單的電阻分壓，電流測量則采用電阻采樣法，為彌補電阻造成的誤差，預(yù)置了修正系數(shù)的程序，每塊電路板投入使用前，可先在所有電壓測量端口接5 V標準電壓，采樣電阻兩端通10 A標準電流。程序可自動根據(jù)所測值修改系數(shù)，提高工作精確度。

(2)軟件流程。如圖4所示，程序開始運行時，首先對C8051FS00內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘以及一些變量進行初始化，然后對各I/O口、定時器、中斷、ADC工作方式及CAN總線工作方式初始化，接著根據(jù)測量電流的兩個I/O數(shù)據(jù)判斷電池組目前是充電還是放電，以選取不同的控制方案，繼而檢測是否有一級控制器發(fā)出的指令，若有則執(zhí)行指令，否則ADC將巡檢各I/O的輸入電壓，程序通過預(yù)存的系數(shù)將其還原為各電池的端電壓，電池串的電流和溫度。最后計算各電池的SOC，考慮 C8051F500的運算能力，采用精確度和運算復雜度都較為中等的安時積分法，并根據(jù)溫度，電壓，電壓-時間梯度等量加以修正。與此同時，實時上報總電壓、電流、溫度和總SOC共4個參數(shù)給一級控制器，充電時如果有單節(jié)電池電壓過高，則開啟相對應(yīng)的MOS管，以均衡充電。出現(xiàn)過溫，過流或達到放電終點時，斷開該串電池，并將斷開時的所有數(shù)據(jù)均上報一級控制器，否則主程序繼續(xù)判斷是否有指令，循環(huán)上述過程。

2.2 一級控制器軟件流程

(1)接收二級控制器上傳的數(shù)據(jù)，這里主要有兩種數(shù)據(jù)：一是時刻上傳的每串電池的電流、電壓、溫度，剩余電量;二是當某串電池因故停止工作時上傳的完整數(shù)據(jù)和停止原因。

(2)SOC計算，這里計算的SOC是根據(jù)實時上傳的電流、電壓和溫度計算整串電池的剩余電量，因為STM32F107芯片運算能力強于C8051F5 00，所以這里的計算模型采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(3)對二級控制器下達指令，這里的指令有兩種：一是要求其上傳目前工作情況的完整數(shù)據(jù)，主要是停車前保存歷史數(shù)據(jù)或手動要求查看;二是在其充放電時SOC明顯高于/低于其他電池串時，讓該電池串暫停工作一段時間，有利于在使用中盡量抹平電池間的不一致性。當上傳的SOC和所計算的SOC之間有較大差異時，則上傳該情況，方便檢查并修正模型系數(shù)。

(4)向主控制器上傳數(shù)據(jù)，這里的數(shù)據(jù)除了主動或應(yīng)主控制器要求上傳的包括電池包整體電壓、電流和SOC，相應(yīng)電池串乃至相應(yīng)電池的電壓、電流、溫度和SOC等一系列工作情況以外，還有各種意外情況的匯報。

2.3 主控制器軟件流程

主控制器的任務(wù)是向整車控制器匯報電池組的工作情況，并根據(jù)要求向一級控制器傳達指令，與一級控制器相似，但由于各電池包可能會切斷某條電池串，造成SOC的突變，所以沒有計算各電池包SOC的操作。

3 結(jié)束語

本文提出了一種以STM32F107為核心控制器，通過CAN總線與以 C8051F500為核心的子控制器互聯(lián)的電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以高效地管理電池，為駕駛員提供剩余動力信息，延長電池的使用壽命。文章從硬件和軟件兩個方面詳細描述了系統(tǒng)的實現(xiàn)過程和各項功能。本系統(tǒng)在用電壓源和電流源進行檢測時，所測量的電壓誤差不超過0.01 V，電流誤差不超過0.05 A，對于模擬的過壓、過流、過溫、放電終止等情況，控制板均能迅速做出反應(yīng)，驗證了系統(tǒng)的測量精度、實時控制和良好暢通的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，在使用鋰電池進行充放電實驗時，所估算的SOC與實際情況也基本吻合，充電時當有電池接近充滿時均衡操作能及時啟動，且保護過充的效果也較為理想。