基于STM32和LTC6804的电池管理系统设计
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
２０１８ 年 第 １０ 期
Baidu Nhomakorabea
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１８ Ｎｏ������ １０
基于 ＳＴＭ３２ 和 ＬＴＣ６８０４ 的电池管理系统设计
谢冬雪，唐祯安，蔡 泓，黄伟奇
（ 大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 １１６０２４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ａｎｄ ＬＴＣ６８０４ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｌａｖｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｗｏ ｂｏａｒｄｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＳＰＩ，ｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｅｑｕａｌｉｚａ⁃ ｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｔｃ，ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ １２ ｓｔｒｉｎｇ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ，ａｎｄ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗａｓ ｗｒｉｔｔｅｎ ｗｉｔｈ ＬａｂＶＩＥＷ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＢＭＳ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２；ＬＴＣ６８０４；ＬａｂＶＩＥＷ
基金项目：国家自然科学基金项目（ ６１１３１００４，６１２７４０７６） 收稿日期：２０１７－０９－０１
水平；另一方面可改善电池组的使用环境、健康状态， 降低电池更换和维护的成本，延长电池使用寿命，增 加汽车的续驶里程。 １ 系统整体结构设计
本系统以 １２ 节锂电池串联而成的电池组作为管 理对象，采用“ 主从式” 的拓扑结构对系统进行设计， 该拓扑结构相比于“分布式” 结构节约了成本，相比于 “集中式”结构减轻了主控制器的工作负担。 其系统 的整体结构设计如图 １ 所示。 该系统由主控板和采集 板 ２ 个模块构成，两板间通过 ＳＰＩ 进行数据交换。 主 控板主要由微控制器（ ＭＣＵ） 、电流采集电路、供电电 路、蜂鸣报警电路、数据存储电路、环境温度测量电路 组成，通过 ＵＳＢ 转串口和 ＰＣ 上位机进行通信；该模块 主要完成对采集的数据进行汇总和处理，并对处理后 的数据进行显示和存储，判断电池的状态，估算电池 的荷电状态（ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ） ，若检测到故障或发 生危险立即报警。 采集板主要由电池组监测 ＩＣ、单体 电压采集电路、均衡电路、温度采集电路、隔离供电电 路组成，主要完成对单体电池电压、测量点温度的采 集，同时进行均衡管理等功能。
６４
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｏｃｔ������ ２０１８
图 １ 系统整体结构设计框图
２ 硬件设计 ２．１ 主控板硬件设计
主控板的微控制器采用基于 ＡＲＭ 的 ３２ 位 Ｃｏｒｔｅｘ－ Ｍ４ 内 核 的 芯 片 ＳＴＭ３２Ｆ４２９ＩＧＴ６， 该 芯 片 的 主 频 为 １８０ ＭＨｚ，具有 ３ 个 １２ 位 ＡＤＣ 以及 １４０ 个通用 Ｉ ／ Ｏ 口等 配置，有强大的数据处理能力，较好的稳定性及较强的抗 干扰能力，可完全满足汽车级微处理器的相关要求。 ２．１．１ 电流采集电路
０ 引言 近年来，环境污染和能源危机已成为世界各国所
面临的两大难题［１］ 。 开发低污染的新能源汽车是汽 车工业的必然趋势，电动汽车作为新能源汽车之一， 由于其能耗低、污染小、能源利用多样化、能源可再生 等优势，引起了国际社会的高度关注［２］ 。 锂电池由于 具备高输出、高比能量、工作温度范围宽、高比功率以 及平稳放电性等优点已成为未来最具发展潜力的二 次电池，也被看作是电动汽车动力电池的不二选择。
摘要：采用“ 主从式” 的拓扑结构，设计了一种以 ＳＴＭ３２ 和 ＬＴＣ６８０４ 为核心的电池管理系统。 两板 间通过 ＳＰＩ 进行通信，配合电流、电压、温度采集电路、均衡电路等，实现对 １２ 串锂电池组的管理，延长 电池组使用寿命；同时用 ＬａｂＶＩＥＷ 编写了上位机监控界面，可对电池管理系统采集的数据进行实时显 示，对历史数据进行保存，以便后续的处理及分析。 实验证明该管理系统有较高的精度，表明该系统的 实用性和有效性。 关键词：电池管理系统；ＳＴＭ３２；ＬＴＣ６８０４；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号：Ｕ４９６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１８）１０－００６３－０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ａｎｄ ＬＴＣ６８０４
ＸＩＥ Ｄｏｎｇ⁃ｘｕｅ，ＴＡＮＧ Ｚｈｅｎ⁃ａｎ，ＣＡＩ Ｈｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ⁃ｑｉ
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ）
而现有的动力电池单体一般采取多组串并联使 用，需要管理的电池数量也更加庞大，成组后的电池 由于在初始容量、自放电率、内阻等方面存在不一致 性，严重影响其使用效果［３］ ，并且可能存在安全隐患， 例如，过热或电流过大引发电池爆炸或着火，危及人 身安全［４－５］ 。 因此为其配备相应的电池管理系统至关 重要［６］ ，一方面可将电池组的性能发挥到最佳状态， 安全隐患降到最低，使电动汽车的动力性能达到最佳
Baidu Nhomakorabea
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１８ Ｎｏ������ １０
基于 ＳＴＭ３２ 和 ＬＴＣ６８０４ 的电池管理系统设计
谢冬雪，唐祯安，蔡 泓，黄伟奇
（ 大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 １１６０２４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ａｎｄ ＬＴＣ６８０４ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｌａｖｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｗｏ ｂｏａｒｄｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＳＰＩ，ｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｅｑｕａｌｉｚａ⁃ ｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｔｃ，ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ １２ ｓｔｒｉｎｇ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ，ａｎｄ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗａｓ ｗｒｉｔｔｅｎ ｗｉｔｈ ＬａｂＶＩＥＷ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＢＭＳ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２；ＬＴＣ６８０４；ＬａｂＶＩＥＷ
基金项目：国家自然科学基金项目（ ６１１３１００４，６１２７４０７６） 收稿日期：２０１７－０９－０１
水平；另一方面可改善电池组的使用环境、健康状态， 降低电池更换和维护的成本，延长电池使用寿命，增 加汽车的续驶里程。 １ 系统整体结构设计
本系统以 １２ 节锂电池串联而成的电池组作为管 理对象，采用“ 主从式” 的拓扑结构对系统进行设计， 该拓扑结构相比于“分布式” 结构节约了成本，相比于 “集中式”结构减轻了主控制器的工作负担。 其系统 的整体结构设计如图 １ 所示。 该系统由主控板和采集 板 ２ 个模块构成，两板间通过 ＳＰＩ 进行数据交换。 主 控板主要由微控制器（ ＭＣＵ） 、电流采集电路、供电电 路、蜂鸣报警电路、数据存储电路、环境温度测量电路 组成，通过 ＵＳＢ 转串口和 ＰＣ 上位机进行通信；该模块 主要完成对采集的数据进行汇总和处理，并对处理后 的数据进行显示和存储，判断电池的状态，估算电池 的荷电状态（ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ） ，若检测到故障或发 生危险立即报警。 采集板主要由电池组监测 ＩＣ、单体 电压采集电路、均衡电路、温度采集电路、隔离供电电 路组成，主要完成对单体电池电压、测量点温度的采 集，同时进行均衡管理等功能。
６４
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｏｃｔ������ ２０１８
图 １ 系统整体结构设计框图
２ 硬件设计 ２．１ 主控板硬件设计
主控板的微控制器采用基于 ＡＲＭ 的 ３２ 位 Ｃｏｒｔｅｘ－ Ｍ４ 内 核 的 芯 片 ＳＴＭ３２Ｆ４２９ＩＧＴ６， 该 芯 片 的 主 频 为 １８０ ＭＨｚ，具有 ３ 个 １２ 位 ＡＤＣ 以及 １４０ 个通用 Ｉ ／ Ｏ 口等 配置，有强大的数据处理能力，较好的稳定性及较强的抗 干扰能力，可完全满足汽车级微处理器的相关要求。 ２．１．１ 电流采集电路
０ 引言 近年来，环境污染和能源危机已成为世界各国所
面临的两大难题［１］ 。 开发低污染的新能源汽车是汽 车工业的必然趋势，电动汽车作为新能源汽车之一， 由于其能耗低、污染小、能源利用多样化、能源可再生 等优势，引起了国际社会的高度关注［２］ 。 锂电池由于 具备高输出、高比能量、工作温度范围宽、高比功率以 及平稳放电性等优点已成为未来最具发展潜力的二 次电池，也被看作是电动汽车动力电池的不二选择。
摘要：采用“ 主从式” 的拓扑结构，设计了一种以 ＳＴＭ３２ 和 ＬＴＣ６８０４ 为核心的电池管理系统。 两板 间通过 ＳＰＩ 进行通信，配合电流、电压、温度采集电路、均衡电路等，实现对 １２ 串锂电池组的管理，延长 电池组使用寿命；同时用 ＬａｂＶＩＥＷ 编写了上位机监控界面，可对电池管理系统采集的数据进行实时显 示，对历史数据进行保存，以便后续的处理及分析。 实验证明该管理系统有较高的精度，表明该系统的 实用性和有效性。 关键词：电池管理系统；ＳＴＭ３２；ＬＴＣ６８０４；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号：Ｕ４９６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１８）１０－００６３－０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ａｎｄ ＬＴＣ６８０４
ＸＩＥ Ｄｏｎｇ⁃ｘｕｅ，ＴＡＮＧ Ｚｈｅｎ⁃ａｎ，ＣＡＩ Ｈｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ⁃ｑｉ
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ）
而现有的动力电池单体一般采取多组串并联使 用，需要管理的电池数量也更加庞大，成组后的电池 由于在初始容量、自放电率、内阻等方面存在不一致 性，严重影响其使用效果［３］ ，并且可能存在安全隐患， 例如，过热或电流过大引发电池爆炸或着火，危及人 身安全［４－５］ 。 因此为其配备相应的电池管理系统至关 重要［６］ ，一方面可将电池组的性能发挥到最佳状态， 安全隐患降到最低，使电动汽车的动力性能达到最佳