锂电池监测管理系统

韩建桥 刘润强 马铭 王焕坤 周新龙

摘要：电动汽车业的迅猛发展，对锂电池监测管理系统的要求越来越高，电池系统一般由动力电池组和电池管理系统组成。现以我们以一组动力电池为控制对象，基于STM32芯片设计一个电池管理系统以便于更好指导整车电池系统的开发。设计过程中根据电池特性和供电需求确定电池管理系统的拓扑结构，通过划分功能模块进行硬件模块电路设计和软件开发，制作一个电池管理系统。实验证明设计的电池管理系统能够对电池组进行信息采集和处理，通过显示屏反馈数据，并对电池组进行保护，对整车的电池管理系统设计起指导作用。

关键词：STM3;电池管理系统;电池管理系统

引言

电动汽车已成为目前汽车市场发展的主流趋势，电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动，而作为衔接电池组、整车系统和电机的重要纽带，电池管理系统BMS的重要性不言而喻[1]。电动汽车的电池组性能决定了电动汽车的行驶表现，所以电池管理系统的研究非常必要。目前，电动汽车行业普遍采用动力锂电池，但是由于单体锂电池一致性差，工作发热等原因都会造成安全隐患，因此电池管理系统必不可少[2]。

1硬件系统设计

STM32F103内核为ARM32位Cortex-M3，最高工作频率为72MHz，STM3232F103单片机，具有成本低、低功耗的特点深受追求高性能电子爱好者的青睐。不同存储空间的Flash存储器和SRAM存储器;具有上电复位和掉电复位功能，工作电压低，并且拥有休眠，停止，待机3种低功耗模式，这些大大降低了单片机的工作能耗;STM32系列单片机有SWD和JTAG两种调试方式，选择性强。单片机资源丰富，功能强大，拥有高频率的内核，工作速度快，效率高的特点。整体设计框图如图1所示

1.1MCU

MCU实现信号控制、数据处理及与上位机通信。MCU的主控制芯片采用32位ARM微处理器STM32F072，其时钟频率最高可达32MHz，具有三级流水線，平均指令周期可达40MIPS/MHz，具有DMA+ADC连续模式，内置μA级的待机电流和多种唤醒源，具有价格低廉、高集成度、高性能、低功耗及低开发成本等突出特点。本设计的MCU在DMA模式下实现与AFE的I2C通信，在DMA+ADC连续模式下实现对电池模拟量的实时采集，不占用MCU任何机器时间，所以MCU主要集中于系统状态机的逻辑功能执行及通信管理工作，并结合设计的时间片程序结构，有效提高了MCU的工作效率。

1.2AFE与库仑计采样单元

AFE通过MCU的模数转换通道对电池的电压、电流、温度等模拟量进行采集，其相应的辅助电路保证采集精度并实现对系统采集通道的保护。选用TI生产的BQ769XX系列专用锂电池管理芯片，可对3～15节锂电池进行灵活配置。该芯片成本低，其I2C兼容接口，兼容循环冗余校验以应对复杂电磁环境，并实现与MCU的通信;内置模数转换器，且可直接支持多达三个10KΩ的热敏电阻，从而实现对电池电压和温度的测量;具有一个单独的库伦电荷计数器，与库仑计采样单元共同实现对电池电流的测量。本设计的AFE具备放电过流、放电短路、过压及欠压的系统硬件保护功能，结合MCU的异常情况报警和软件保护功能，实现MCU与AFE对电池组的三级保护[3]。

1.3系统电源及系统休眠待机唤醒单元

（1）电池管理系统电源的取源来自电池组，考虑到电池管理系统可能在电池组耗电到保护后开始休眠，此时电池管理系统待机休眠的低耗电能力显得尤为重要，特别是电池组在几个月或更长时间不使用的情况。故本设计采用MP9486为系统的主电源管理芯片，其具有超宽输入范围9V～100V，抗尖峰电压，开关频率最高达1MHz，待机功耗低等特点，且可采用小电感，节省了成本及PCB空间，电路如图2所示。

（2）系统进入休眠前，做好电池电量、休眠时间等当前状态数据存储工作，使AFE进入低功耗模式，对其它电路单元发出关闭信号，MCU对MP9486的EN端输出低电平信号，从而关闭系统电源，使系统进入休眠。电池管理系统进入休眠模式时，AFE提供的3.3V电压仍持续工作，从而确保MCU的实时时钟模块保持工作。

（3）本系统提供的待机唤醒方式有外部唤醒和内部唤醒。其中，通过MCU配置三个待机唤醒专用IO，结合相应的电路，实现开关唤醒、RS485通信唤醒和充电唤醒的三种外部唤醒方式。内部唤醒依靠自动定时实现。

1.4报警模块电路

本系统采用HYDZ电磁式有源蜂鸣器作为报警模块的核心，通过蜂鸣器鸣响提示用户注意电池管理系统的状态。当电池回路断路时，控制芯片检测到绝缘电路中绝缘电阻阻值过低，此时芯片控制蜂鸣器报警;当电池温度过高时，控制芯片检测到热敏电阻阻值降低，芯片也会控制蜂鸣器进行报警。报警模块电路如图7所示，利用STM32的引脚52（PC11）控制蜂鸣器发声。由于蜂鸣器的工作电流较大，而STM32引脚的TTL电平不足以驱动蜂鸣器工作。这里采用三极管作为电流放大电路，NPN三极管的基极由PC11控制，引脚输出为高电平时控制三极管导通，接通蜂鸣器，蜂鸣器报警，引脚输出为低电平时控制三极管截止，蜂鸣器的通路断开不报警。图中Q7为三极管，LS1为蜂鸣器。

2软件系统设计

该系统程序设计部分主要有基于AltiumDesigner软件的电路设计，基于Keil软件的程序设计，系统控制技术路线等。

2.1基于AltiumDesigner软件的电路设计

使用AltiumDesigner软件进行系统电路原理图和PCB图绘制，进入软件后默认打开的界面为Home界面。在Home界面单击文件工具栏下新建按钮，在右侧的对话框中点击工程按钮，在右侧的对话框中选中PCB工程。进入PCB设计界面，开始设计电路原理图。

电路原理图设计完成后对原理图进行编译，单击工程按钮，在弹出的下拉菜单中点击编译按钮。编译完成后若没有错误则可以将原理图更新到PCB中。点击设计工具栏，在弹出的下拉菜单中点击更新按钮，将原理图更新到PCB中，确定完板子大小后，对PCB版面进行布局和布线，完成后见图4，至此电路板设计完毕。

2.2基于Keil软件的程序设计

在软件开发时选用了专门针对ARM内核的处理器的开发环境，KeiluVision5微控制器软件平台对电池管理系统进行程序设计。KeiluVision5可以支持不同公司设计的基于ARM内核的处理器，提供了对C语言和汇编语言的支持，同时具有强大的库管理功能，可以配合专用仿真器实现对程序更好的调试和仿真。本次設计选用STM32系列芯片作为微控制单元，而Keil5完美支持Cortex-M系列器件。使用Keil结合SWD仿真器调试具有以下好处：调试能够实现无限的断点，包括访问、条件、和执行断点;在仿真过程中能够做到模拟外设与程序执行完全同步;仿真过程拥有完整的

2.3系统控制技术路线

3结论

新能源汽车已成为目前汽车市场发展的主流趋势，电池管理系统作为保障电动汽车安全高效运行的保障，是电动汽车的开发中不可或缺的一环，在电动汽车发展中起了积极推动作用。本文首先分析了BMS的当前应用实例，其次根据电池特性和研究对象设计了电池管理系统的功能和结构。接着根据设定的功能和结构来确定BMS硬件设计方案，重点利用功能模块设计方法来对BMS功能电路进行设计并给予了分析。通过KeiluVision5软件开发平台对BMS控制程序进行开发后再下载到BMS中。最后采用本次设计的BMS对一组电池进行控制实验，实验结果符合预期。在电动汽车的发展过程中，电池管理系统正扮演着重要的角色，电池管理系统将更好地服务于电动汽车，促进清洁能源产业的发展。本文基于STM32芯片设计的电池管理系统拥有完整的功能结构，能够实现电池能量均衡控制和SoC估算，同时实验成本较低，周期短，还为整车电池管理系统的功能完善和新型设计提供了一定的指导作用，有利于电池管理系统的设计优化和创新。

参考文献

[1]阮超鹏，敖银辉，黄志鹏.基于STM32的电池管理系统设计[J].时代汽车，2021（18）：86-90.

[2]赵腾，李立伟，杨玉新，王凯.锂电池管理系统从控单元设计[J].电子设计工程，2021，29（05）：61-64+70.

[3]程良燕.一种小型电动物流车锂电池管理系统[J].贵阳学院学报（自然科学版），2021，16（03）：77-81.

作者简介

韩建桥（2000-），男，山东省枣庄市人，学士，研究方向：控制工程。

该项目由国家级创新创业训练项目《锂电池监测管理系统》（S20211 3320063）支持。