基于STM32的电动汽车动力电池管理系统设计.pdf
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1、1引言随着全球燃油汽车数量的不断增加,环境及能源问题变得日益严峻,目前采用电动汽车替代燃油汽车成为解决能源和环境问题的一个重要途径。在新能源电动汽车的使用和推广中,动力电池作为汽车能量的来源起着关键的作用。为了进一步推动电动汽车发展,动力电池必须解决几个关键问题,比如要大幅提高动力电池的循环寿命,解决充电和换电池的问题,提高动力电池的一致性、避免出现过充过放现象,避免电池损坏甚至失火导致汽车出现安全事故等1-4。为解决此类问题,必须对电动汽车动力电池组进行实时监测管理,提高电池续航能力,保障电池组的使用寿命及安全。电池管理系统能够对电池的状态进行监控,并通过分析数据,对电池进行均衡控制,向汽车
2、电脑及用户提供可行驶里程、剩余电量、电池状态、故障预警等信息5-8。为此,设计一种高效可靠的电池管理系统,可实时监控电池组运行状态信息(电压、电流、温度等),并通过所采集信息对电池组进行均衡控制,同时与整车控制器以及外部充电系统完成信息交互。该系统有效利用动力电池能量,实现整车的能量管理,提高汽车行驶里基于 STM32 的电动汽车动力电池管理系统设计龙振弘(三明教育学院信息技术处,福建 三明 365000)摘要:动力电池是电动汽车的动力来源,与电动汽车的成本、行驶里程以及安全性息息相关。为消除电动汽车运行的安全隐患,减轻驾驶员的里程焦虑问题,设计开发一种电池管理系统。该系统使用 STM32F1
3、03 嵌入式处理器作为核心处理器,采用分布式结构实现系统设计,完成包括电压、电流、温度等在内的电池组运行状态信息的实时监控;同时也实现了与整车控制器、充电系统的信息交互,对实现汽车能量管理、估算行驶里程和延长电池寿命有重要意义。通过对电池组进行放电试验,结果表明系统单体电池电压电流测量精度高、功能完善、运行稳定可靠。关键词:电动汽车;嵌入式系统;分布式拓扑;电池管理系统DOI:10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.015中图分类号:TP23;U469.72文献标识码:A文章编号:1002-2279(2023)04-0056-05Design of Power Bat
4、tery Management System for Electric VehiclesBased on STM32LONG Zhenhong(Department of Information Technology,Sanming Institute of Education,Sanming Fujian 365000,China)Abstract:Power battery is the power source of electric vehicles,which is closely related to the cost,mileage and safety of electric
5、vehicles.A battery management system is designed and developed in orderto eliminate the hidden danger of electric vehicle operation and alleviate the drivers mileage anxiety.Thesystem uses STM32F103 embedded processor as the core processor,adopts distributed structure to realizethe system design,and
6、 completes the real-time monitoring of battery running status information includingvoltage,current and temperature.At the same time,it also realizes the information interaction with thevehicle controller and charging system,which is of great significance to realize automobile energy mana-gement,esti
7、mate mileage and extend battery life.Through the discharge test of the battery pack,theresults show that the voltage and current measurement accuracy of the single battery in the system is high,the function is perfect and the operation is stable and reliable.Key words:Electric vehicles;Embedded syst
8、em;Distributed topology;Battery management system作者简介:龙振弘(1976),男,广西壮族自治区浦北县人,讲师,主研方向:信号与信息处理。收稿日期:2023-03-24微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.,20234 期程,延长电池的使用寿命。2系统总体方案设计电池管理系统(Battery Management System,BMS)的功能包括信息的采集和处理。信息的采集包括获取电池组总电压、单体电压、单体温度、电池组充放电电流;信息的处理包括通过电流电压等信息获取电池组 SOC、均衡控制、故障报
9、警、可视化显示以及通讯等。在电动汽车中,利用串并联方式将单体电池形成电池组模块为整车高压电源提供动力源。考虑到电池组的管理复杂度与电池的空间分布,所设计的电池管理系统采用分布式网络控制结构,系统结构的布置情况如图 1 所示。系统在各个电池包中安装电池测控模块采集电池信息;电池测控模块通过串行总线与电池管理系统的中央控制器连接;中央控制器采用 CAN 总线接口与整车控制系统进行通信,同时为均衡控制输入端提供控制命令。3系统硬件设计3.1控制板设计控制板的硬件设计主要包括控制芯片、电源电路、悦粤晕 通信接口和以太网通信接口。详述如下:1)控制芯片根据系统的功能分析以及整体结构设计可知,主控制板硬件
10、负责信息采集与信息处理功能。目前电池管理系统平台的功能日趋多样化,对主控制器的实时性及运算性能提出了较高要求。本设计采取低功耗芯片 STM32F103ZET6 作为主控芯片进行设计。该芯片是基于 Cortex-M3 的 32 位处理器,其特点为:工作频率最高可达 72MHz,完全满足 BMS 实时性处理要求;具有 512k 字节的闪存程序存储器、64k 字节的 SRAM,可存储和运行嵌入式控制程序;提供睡眠、停机和待机三种模式;工作电压 2耀3.6V,满足低功耗的应用要求;带有 12 位模数转换器,满足 BMS 中霍尔传感器的需求;2 路 I2C 接口(可直接驱动 E2PROM)、5 路串口接
11、口、3 路 SPI 接口(可驱动SD 内存卡)、2 路 CAN 接口等,满足与外部设备通信的需求。2)电源电路系统由 12V 电池供电,根据主控板供电要求需要把 12V 转化为 5V 和 3.3V。输入的 12V 电压通过 DC-DC 模块(WD5_24S05A1)降压为 5V 输出,为CAN 接口供电。该模块功率为 5W、体积和纹波小,适用于输入电压范围变化大的系统,满足系统设计需求。5V电压再通过线性稳压电源芯片(AMS1117-3.3)后,输出 3.3V 供嵌入式系统及外围电路使用。该部分电路图如图 2 所示。3)CAN 通信接口CAN 通信是 BMS 的基本功能之一。主控制板与车载控制
12、器及上位机通过 CAN 接口通信。CAN总线采取差分信号传输,传输速率高、抗干扰性强,是车联网的通用基本协议。本系统采用 TJA1050 收发器,TJA1050 使用 广泛的 高速 CAN 收发器,STM32 内部的 CAN 总线模块经过 TJA1050 转换成符合 CAN 总线标准电平进行通信。CAN 通信接口模块电路图如图 3 所示。4)以太网通信接口通过以太网可以把检测到的电池状态(电池电压、充放电电流、温度和剩余电量)传送到服务器端,便于进行远程监控,实现车联网功能。此部分电路主要是通过 MCU 的 FSMC 总线系统驱动以太网芯片DM9000 工作,并通过 HR911105A 连接到
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