基于STM32的鋰電池組SOC管理系統的研究與設計

潘瑩+朱武+張佳民

摘 要：針對鋰電池組單體多、電路復雜使SOC管理不到位的問題，設計出一種新的鋰電池組SOC管理系統。硬件上通過集成的電池管理芯片實現電池狀態參數的采集，STM32控制器通過IIC總線實現數據接收及處理，算法上采用開路電壓結合安時積分方法實現SOC實時估計。該系統電路拓撲簡單，穩定性和可靠性較高。實驗證明，該系統能實現鋰電池組SOC的實時監測，準確度高。

關鍵詞：電池管理系統；STM32控制器；電池管理芯片；開路電壓法；安時積分法

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0026-02

引言

鋰電池作為未來電池發展的重要方向，離不開有效的能量管理系統（Battery management system， BMS ）。電池荷電狀態（State of charge，SOC）作為BMS的主要參數，實時監測SOC能夠防止鋰電池過充過放，從而延長電池壽命，保證電池組的續航里程[1-2]。如果電池組單體較多，需要采集大量的數據，如果用傳統的數據采集電路，接線復雜，對于嵌入式系統來說，這種方案并不可取[3]。所以本文以磷酸鐵鋰電池為研究對象，以STM32F103V作為主控芯片，利用集成的電池管理芯片設計鋰電池管理系統，實現對整組電池SOC的實時監測。

1 系統硬件設計

為了實現對鋰電池組的實時監測與管理，整個管理系統的功能主要包括電池組電壓、電流和電池單體電壓、溫度等數據的采集，通過主控芯片STM32來估計電池SOC以及顯示電池組基本信息，整個系統框圖如圖1所示。

1.1 電池組基本參數采集

采用TI的集成電池管理芯片，避免了傳統數據采集時復雜的接線，能準確的采集到電池組電壓、電流、單體電壓以及溫度等信息，本系統采用BQ76930芯片，內部集成了14-bit ADC，能同時采集10個電池串聯組成的電池組的數據，單體端電壓測量范圍為0-6.275V。將電流檢測電阻兩端的電壓通過芯片引腳SRP和SRN，連接到芯片內部ADC和庫侖計，計算累積電荷，從而達到檢測電流的目的。引腳TS1和TS2外接兩個熱敏電阻，可以同時測量電池組內兩點的溫度。

1.2 數據處理

BQ76930將采集到的數據通過IIC總線傳給STM32芯片，由芯片處理后通過GPIO口，將電池組的狀態參數傳遞給顯示器界面，如果電池狀態異常，通過顯示的信息，可以人工控制電池組，也可以通過控制電路上的開關器件，及時對電池組進行控制。

2 SOC估計算法

安時積分法對于SOC預測的準確性嚴重依賴于對SOC0的估計，本系統利用開路電壓法OCV（Open circuit voltage）確定SOC0，預先標定電池的OCV和SOC的關系，以0.5C電流給電池充電，當充電電流降至65mA時，停止充電，記此時鋰電池的SOC為1，靜置后測量電池的OCV，利用電子負載以1C電流給電池放電，每隔5%SOC記錄鋰電池在靜止狀態下的開路電壓，實驗結果如圖4，利用多項式擬合OCV-SOC的關系式，如式（2）所示，得到不同OCV下的SOC0。

3 系統軟件設計

系統工作時，對于SOC的估計主要分為兩個階段，電池組狀態穩定時，根據電池的開路電壓估計電池的初始SOC；電池組工作時，根據充放電電流積分結合在線估計電池SOC的變化量，當某個單體電池SOC最先達到充電閾值或放電閾值時，主控制器向顯示器發送信息，并且由控制電路中斷電池組充放電。程序流程圖如圖3所示

4 系統性能測試

測試所用電池組由10個松下18650型鋰電池串聯，電池單體容量為3.5Ah，額定電壓為4.2V。對電池組進行充放電實驗，電流大小為1A，電池管理系統采集到電池實時端電壓，根據初始時刻端電壓以及充放電電流大小計算實時SOC，如圖4和圖5所示。測試結果顯示，這種SOC管理系統可以實現成組電池的單體的管理。

5 結束語

利用集成的電池管理芯片BQ76930采集電池組狀態參數，避免了傳統方式數據采集時復雜的接線， STM32作為主控芯片，利用豐富的GPIO口控制方便控制顯示電路及其他電路，使電池組管理系統集成度更高，抗干擾能力以及數據采集精度更高，在實際系統中使用方便靈活，可以實時監控電池組的SOC信息。

參考文獻：

[1]劉莉，胡社教.基于鋰電池SOC估算方法[J].電源技術，2017（01）：4-6，63.

[2]麻金龍，夏超英，蔡奔.基于Infineon XC2785的電池管理系統采集單元設計[J].儀表技術與傳感器，2014（7）：24-30.

[3]肖艷軍，劉蕊，宋海平，等.基于單片機的鋰電池管理系統研究與試驗[J].控制工程，2016（7）：1001-1005

[4]范興明，曾求勇，張鑫.基于改進安時積分法的電動汽車電池SOC估計與仿真研究[J].電氣應用，2015（8）：111-115.

[5]李哲，盧蘭光，歐陽明高.提高安時積分法估算電池SOC精度的方法比較[J].清華大學學報（自然科學版），2010，50（08）：1293-1296+1301.endprint