贾华 黄熠

摘要：针对新能源电动汽车提出了一套完整的电池管理系统方案，采用STM32芯片作为主控芯片并架构嵌入式操作系统FreeRTOS，由嵌入式操作系统实时监控充电、放电的过程，并且在LCD显示屏上实时显示锂电池组的工作状态。设计信号采集电路采集主控板上的总电压、电流和子模块上的单体电压、温度等参数，为锂电池管理系统提供最原始的数据。该智能模块兼有报警和散热装置，提高了系统的安全性。

关键词：STM32芯片；锂电池；智能控制模块；实时监控

中图分类号：TP391.4文献标志码：A文章编号：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

能源危机和环境污染日益加剧，燃油汽车的普及在推动工业进步和经济发展的同时也加剧了环境的恶化和能源的消耗。电动汽车相比燃油汽车，具有无污染、噪声小及能源利用率高等特点，逐渐替代了原有的交通工具，成为未来汽车发展方向之一[1]。动力电池是电动汽车的核心部分之一，为电动汽车提供能量的来源。为了使电动汽车能够安全稳定地运行，应为其配备完善的电池管理系统。

国外在早些时候就已经开始了对电动汽车的研究，在电池管理和控制方面，已经形成了一套比较完善的理论体系；国内对电池管理系统的研究较晚，不过在目前也已经取得了重大的突破[2]。

1系统的总体架构

考虑到锂电池的成本、寿命、体积和安全性等各个方面的因素，系统最终决定采用磷酸铁锂电池作为电动汽车的动力电池使用。磷酸铁锂电池是一种新型的锂离子电池，额定电压是3.2 V，充电终止电压是3.7 V，放电终止电压是2.0 V[3]。系统采用36节磷酸铁锂电池模拟动力电池组来完成设计，36节电池平均分配到3个采集板进行信号的采集，采集板与主控板之间采用CAN总线进行通信连接。

系统的硬件电路分为主控制板电路和采集板电路，主控制板电路主要由主控制芯片STM32、电源模块、数据采集模块、通信模块及人机交互模块等组成，采集板电路主要由温度采集模块和单体电池电压采集模块组成[4]，系统的总体框图如图1所示。

2硬件设计

2.1主控板电路设计

2.1.1主控芯片的选取

电池管理系统的硬件模块主要包括电源模块、数据采集模块、通信模块、显示模块及报警模块等，这些模块使得主控制板所要处理的信息量明显增加。STM32F103ZET6拥有较快的运算速度、多任务的处理能力、丰富的片内外设资源、较大的存储容量、良好的用户开發环境和低功耗等，集高性能、低功耗、低成本于一体[5]，非常适合作为本次设计的主控芯片。

2.1.2电池组总电压采集电路

系统采用霍尔电压传感器HNV-025A进行总电压的采集。HNV-025A型霍尔传感器是利用磁补偿原理的一种电压传感器，能够测量直流、交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的[6]。此传感器适用的测量电压范围为10～500 V，初级额定电流为±10 mA，次级额定电流为±25 mA，原边和副边的匝数比为2 500：1 000，连线图如图2所示。

为了使传感器达到最佳的精度，通过选择i大小，使得输入电流为10 mA，通过改变m的阻值，可以改变输出电压的大小。

2.1.3串口通信电路的设计

系统实现了MCU与PC机之间的通信，可以通过上位机对电池管理系统的参数进行管理，同时将电池组当前的工作状态实时地反馈给上位机。系统所采用的主控芯片STM32包含3个USART和2个UART，只需要扩展电平转换电路就可以完成与CPU的连接。本系统采用MAX232进行电平的转换，完成MCU与PC机之间的电平转换。

2.1.4 CAN通信电路的设计

为了提高系统的稳定性，进行CAN接口电路设计时需要考虑到隔离的问题，系统采用CTM8251A完成主控制板和采集板之间的通信连接。CTM8251A是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，这款芯片集成了CAN隔离及CAN收发等功能。3个采样板通过CAN总线与主控制板进行通信，主控制板与采集板连接示意图如图3所示。

2.1.5报警电路

当电池组中单体电池间的电压过高或者过低、温度过高或者过低、电流过大、电池间的剩余容量差距过大时，系统就会自动检测到并发出警报，提示工作人员电池管理系统发生异常，报警电路可以采用蜂鸣器进行报警。

2.1.6 LCD电路设计

显示工具采用的是TFT-LCD，本文直接采用的是一款集成的LCD模块，该模块上集成了ILI9341控制器、驱动器和触摸芯片XPT2046。

2.2采集板电路设计

2.2.1温度采集电路设计

锂电池的温度是锂电池管理系统中一个至关重要的参数，系统采用了DS18B20进行温度的测量。DS18B20是专用的数字温度传感器，拥有独特的单总线接口方式，MCU与DS18B20的通信仅需要一根线就能够进行，很大程度上提高了系统的抗干扰能力。芯片的测温范围是-55℃～+125℃，并且拥有超高的测量精度。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多能并联8个，实现多点测温。但是如果数量过多，会使供电电源的电压过低，从而造成信号传输的不稳定。工作电源范围为直流3.0～5.5V。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

由于本系统中的被采样对象是36节磷酸铁锂电池，工作电压较高。因此温度传感器不能直接与锂电池组连接，必须将锂电池组和温度传感器隔离开。本系统为了提高安全性，采用了光耦隔离器6N137对MCU和测温模块进行隔离，并且使用IB0505LS-1W为隔离芯片单独供电。2.2.2单体电池电压采集电路设计

测量单体电池的电压是电池管理系统中至关重要的一个步骤，对其测量的精度要求较高，并且电池组中串并联的电池数量较多，所以本系统决定采用差模测量的方法测量单体电池的电压，如图4所示，单体电池经过光耦隔离器之后，进入差分采样模块进行电压采集[7]。

3软件设计

因为电池管理系统所要实现的功能较多而且复杂，需要实现数据的传输和实时显示，所以传统的前后台操作系统软件设计已经不能满足本系统的要求。

为了更好地实现系统的实时性和多任务的执行，需要为本系统设计一款实时性高的操作系统。综合考虑之后，决定采用嵌入式实时操作系统FreeRTOS作为本系统的操作系统[8]。FreeRTOS是Richard Barry公司开发的一款小型的可移植的嵌入式操作系统，FreeRtos的任务特性是简单、没有使用限制、支持抢占及支持优先级等优点，不过由于每个任务都拥有堆栈，导致了RAM使用量增大，如果使用抢占的话必须仔细地考虑重入的问题。

4结束语

随着能源危机和环境危機的不断加重，在不久的将来，新能源电动汽车必将代替传统的燃油汽车，成为全世界的主流汽车。本系统设计和实现了电池管理系统的主要功能，并且对所设计的硬件和软件部分进行了调试，完成了电池电压、电流温度等的实时测量并通过嵌入式完成界面的设计，能够对电池管理系统进行实时监测。但在SOC的测量和电池均衡管理方面还存在着不足的地方，未来还需要引进更加科学的算法来完善电路设计。另外，对于电动汽车锂电池的安全性和续航性等问题，还需要更加科学的理论和实践来不断完善。

参考文献

[1]刘金朋，李平，雷国盛.我国电动汽车发展瓶颈与建议分析[J].现代商业，2016（18）：32-33.

[2]张金龙，佟微，漆汉宏.锂电池发展浅谈[J].电源技术，2017（9）： 1377-1379.

[3]陈方国，赵志伟.高精度估算SOC的锂电池管理系统研制[J].科技风，2012（17）：43-44.

[4]韦德启.电动汽车用锂动力电池组均衡系统开发及其策略研究[D].安徽：合肥工业大学，2015：41-46.

[5]路保虎.基于STM32F103ZET6的哦动力电池管理系统设计[D].南京：南京理工大学，2013：18-20.

[6]孙朝.锂电池组均衡充电与管理系统设计[D].重庆：重庆大学，2013：43-45.

[7]梅永攀.基于STM32的电动汽车锂电池电源管理系统研究[D].湖北：湖北工业大学，2013：19.

[8]夏鑫，张果，王剑平，等.实时操作系统FreeRTOS移植的实验研究[J].化工自动化及仪表，2016（7）：720-721.