基于STM32和CAN总线的电动车电池管理系统设计

随着电池能源的广泛应用，石油资源的枯竭和环境污染，电动汽车以其节能环保的优势引起越来越多的重视，在电动汽车的研究和发展上，车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重要位置。电动汽车动力电池在应用中的主要问题表现在：生产过程中，电池的工艺，技术以及成组技术还不能保证其初始性能具有良好的一致性;使用过程中，对过充电、过放电、过温度、过电流等非常敏感，这类情况的发生会明显缩短电池寿命，甚至会导致电池报废。电池组是几十个甚至上百个单体电池串联，单体电池之间存在不一致性，随着连续的充放电循环，电池间的不一致性加剧，电池组的可用容量受容量最小的单体电池制约。对于这些情况，电池的初始性能必须要依靠企业生产工艺的优化，生产过程关键参数的控制来改善，而使用过程中出现的问题则需要电池管理系统来解决。本设计是以STM32F107 为核心的主控制器通过CAN通信网络控制以C8051F500单片机为核心的电池组信息采集和基本控制模块工作及获取数据。主要实现了单体电池的过压放电均衡，过流保护、过温保护、过放电保护以及通过上级控制器汇报并存储整体电池组的工作状态。

1 硬件设计

1.1 系统总体架构

系统所监控管理的电池包组成结构为：先将一定数目的锂离子电池串联，将若干电池串并联成一电池组，最后将若干电池组串联构成整体的电池包，这种串并联复用的组织形式有利于进行单串电池的充放电起停操作，降低使用过程中产生的电池容量不一致性。管理系统的构成如图所示，每个电池串配置一个二级控制器监测管理，采集电流、电压、温度等数据并上传，控制电池串起停与均衡操作，一级控制器为双CAN控制器结构，CAN1控制器与二级控制器组成电池组的CAN 网络，CAN2控制器与主控板电池包组成内部一级CAN总线网络，负责向主控板汇报该电池组工作情况及向下属二级控制器传达指令，主控制板的CAN2控制器则接入整车CAN总线。由于各电池组为串联结构，电压的递增关系影响到二级控制器，故而供电时需经DC/DC转换。

1.2 主控制器、一级控制器架构

主控制器，一级控制器的核心控制由意法半导体的STFM32F107完成，STM32F107是一款高性能、低成本、低功耗的32位RISC微处理器，采用ARMCortex-M3的内核，内部含有256 kB的Flash和64 kB的SRAM，有着充足的编程空间，主频为72 MHz，足以承担对下级控制器的实时管理。所包含外设有：基本的电源电路、复位电路、标准JTAG调试口、双CAN物理层电路、EEPROM存储器，对于本系统设计来说是最佳方案。

1.3 二级控制器架构

由于锂离子电池单体电压较小，一般约为4 V，而整体电池包电压则高达数百伏，单串电池长度也在15个以上，而目前常用的电池测量芯片成本较高且只能监测6节或12节电池电压，综合考虑决定以 C8051F500为核心设计二级控制器，这种设计相较于专用电池测量芯片而言，缺点是精度较低，优点是可以对所测量的数据先进行计算处理，不完全依赖上级控制器的指令。

C8051FS00处理器按AEC-Q100测试标准设计，具有宽工作电压、宽工作温度范围、抗干扰能力强并内置CAN及LIN总线控制器，适合汽车电子及工业控制方面的应用。该芯片具有32路I/O口，接口数满足监控电池串工作的需要，具有12 bit的ADC，每个通道的最小建立时间《50μs即巡检一个循环的总时间《1 ms，足以支持对于电池串的实时监控，控制器架构如图2所示。

其中带隔离驱动的CAN总线物理层电路如图3所示，此外还有DC/DC电源，C2在线调试接口等外部设备。

2 软件设计

2.1 二级控制器软件流程

(1)系数修正程序。因为电池总数极多，为降低系统的成产成本和占用空间，电压测量采用较为简单的电阻分压，电流测量则采用电阻采样法，为弥补电阻造成的误差，预置了修正系数的程序，每块电路板投入使用前，可先在所有电压测量端口接5 V标准电压，采样电阻两端通10 A标准电流。程序可自动根据所测值修改系数，提高工作精确度。

(2)软件流程。如图4所示，程序开始运行时，首先对C8051FS00内部的系统时钟以及一些变量进行初始化，然后对各I/O口、定时器、中断、ADC工作方式及CAN总线工作方式初始化，接着根据测量电流的两个I/O数据判断电池组目前是充电还是放电，以选取不同的控制方案，继而检测是否有一级控制器发出的指令，若有则执行指令，否则ADC将巡检各I/O的输入电压，程序通过预存的系数将其还原为各电池的端电压，电池串的电流和温度。最后计算各电池的SOC，考虑 C8051F500的运算能力，采用精确度和运算复杂度都较为中等的安时积分法，并根据温度，电压，电压-时间梯度等量加以修正。与此同时，实时上报总电压、电流、温度和总SOC共4个参数给一级控制器，充电时如果有单节电池电压过高，则开启相对应的MOS管，以均衡充电。出现过温，过流或达到放电终点时，断开该串电池，并将断开时的所有数据均上报一级控制器，否则主程序继续判断是否有指令，循环上述过程。

2.2 一级控制器软件流程

(1)接收二级控制器上传的数据，这里主要有两种数据：一是时刻上传的每串电池的电流、电压、温度，剩余电量;二是当某串电池因故停止工作时上传的完整数据和停止原因。

(2)SOC计算，这里计算的SOC是根据实时上传的电流、电压和温度计算整串电池的剩余电量，因为STM32F107芯片运算能力强于C8051F5 00，所以这里的计算模型采用模糊神经网络法。

(3)对二级控制器下达指令，这里的指令有两种：一是要求其上传目前工作情况的完整数据，主要是停车前保存历史数据或手动要求查看;二是在其充放电时SOC明显高于/低于其他电池串时，让该电池串暂停工作一段时间，有利于在使用中尽量抹平电池间的不一致性。当上传的SOC和所计算的SOC之间有较大差异时，则上传该情况，方便检查并修正模型系数。

(4)向主控制器上传数据，这里的数据除了主动或应主控制器要求上传的包括电池包整体电压、电流和SOC，相应电池串乃至相应电池的电压、电流、温度和SOC等一系列工作情况以外，还有各种意外情况的汇报。

2.3 主控制器软件流程

主控制器的任务是向整车控制器汇报电池组的工作情况，并根据要求向一级控制器传达指令，与一级控制器相似，但由于各电池包可能会切断某条电池串，造成SOC的突变，所以没有计算各电池包SOC的操作。

3 结束语

本文提出了一种以STM32F107为核心控制器，通过CAN总线与以 C8051F500为核心的子控制器互联的电池组监控管理系统，可以高效地管理电池，为驾驶员提供剩余动力信息，延长电池的使用寿命。文章从硬件和软件两个方面详细描述了系统的实现过程和各项功能。本系统在用电压源和电流源进行检测时，所测量的电压误差不超过0.01 V，电流误差不超过0.05 A，对于模拟的过压、过流、过温、放电终止等情况，控制板均能迅速做出反应，验证了系统的测量精度、实时控制和良好畅通的CAN通信网络，在使用锂电池进行充放电实验时，所估算的SOC与实际情况也基本吻合，充电时当有电池接近充满时均衡操作能及时启动，且保护过充的效果也较为理想。