基于STM32 和BQ76940 的無(wú)人車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣 歡，毛 鑫，于萬(wàn)海，張東霖

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054035；2.河北省特種車輛改裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054000;3 河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018）

一、引言

近年來(lái)，隨著AI、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)正在研發(fā)無(wú)人駕駛車輛。但當(dāng)前無(wú)人車的應(yīng)用場(chǎng)景受限，僅在軍事、交通和制造等方面應(yīng)用廣泛，而發(fā)展綠色、節(jié)能和智能的無(wú)人車已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。鋰電池已經(jīng)成為主流新能源，但隨著無(wú)人車應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)電池續(xù)航能力要求越來(lái)越高[2]。因此需要一個(gè)能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行有效管理的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System,BMS）。電池管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)和管理電池狀態(tài)，使得電池狀態(tài)一致，防止電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放和過(guò)熱等危險(xiǎn)，從而提高電池使用壽命和無(wú)人車工作效率[3]。

劉耿峰在“動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及SOC 實(shí)時(shí)在線估計(jì)方法”中，提供了一種針對(duì)動(dòng)力電池管理的完整設(shè)計(jì)方案，提出了一種SOC 實(shí)時(shí)在線估計(jì)方法，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。但是電池的兼容性方面存在不足，以及硬件設(shè)計(jì)部分的電路相對(duì)復(fù)雜、調(diào)試難度大[4]。向丹在“基于MC9S12GRMV1 的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中，基于MC9S12GRMV1 的設(shè)計(jì)了電池管理系統(tǒng)，以二階Thevenin模型作為電池等效電路模型，提出了改進(jìn)型粒子濾波算法，仿真實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)型粒子濾波算法提高了SOC 估算的精度。但是部分硬件電路模塊設(shè)計(jì)不完全，監(jiān)測(cè)控制功能有所欠缺[5]。

現(xiàn)階段的電池管理方案需要計(jì)電量、保護(hù)、監(jiān)控、平衡等多種功能不同的芯片協(xié)同配合，采集電量需要電量計(jì)芯片；充放電控制及監(jiān)控電池運(yùn)行情況需要監(jiān)控器和平衡器芯片；保護(hù)電池需要保護(hù)芯片；此外還需要一枚單片機(jī)芯片來(lái)保持芯片間的相互通訊。因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中存在難度大、電路復(fù)雜、調(diào)試周期長(zhǎng)、成本高、功能單一、通用性低、成本高等缺點(diǎn)。

基于此，使用電池管理芯片BQ76940 和控制芯片STM32L431RCT6 設(shè)計(jì)了無(wú)人車的電池管理系統(tǒng)，這兩種芯片可直接將電池?cái)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸至控制芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案可滿足無(wú)人車電池管理的多種需求，集成了采集、保護(hù)、均衡等功能。整個(gè)方案外部電路簡(jiǎn)單、內(nèi)置大量的配置寄存器，僅需修改參數(shù)，即可適用于所有種類的電池。整個(gè)電池管理系統(tǒng)的采集、保護(hù)、控制響應(yīng)速度和工作效率均優(yōu)于大多數(shù)電池管理方案。

一、無(wú)人車BMS 系統(tǒng)分析及總體方案設(shè)計(jì)

1.無(wú)人車BMS 系統(tǒng)分析

無(wú)人車48 VBMS 根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，功能需求為：具備電池包過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、負(fù)載檢測(cè)等功能；具備檢測(cè)單體電池電壓過(guò)壓、欠壓等功能；具備電流檢測(cè)功能，監(jiān)測(cè)電流范圍：±1A～±60A；兩路電芯溫度監(jiān)測(cè)、一路MOS 溫度監(jiān)測(cè)、一路MCU 溫度監(jiān)測(cè)；對(duì)外輸出連接器具備一路CAN 對(duì)外通訊。

2.BMS 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，將整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)為前段采集模塊和后端控制模塊兩部分。總體硬件設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 總體硬件設(shè)計(jì)方案

前端采集模塊由BQ76940 芯片和BQ76200 芯片構(gòu)成，共同完成電池管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)功能。BQ76940 芯片直接與電池組相連，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)單體電池的電壓、電流和溫度，一旦出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等情況，便會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警和保護(hù)。BQ76200 芯片作為電池保護(hù)器，能夠根據(jù)BQ76940 提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)電池組接近過(guò)放或過(guò)充狀態(tài)時(shí)，即刻發(fā)出警報(bào)并切斷電路，保護(hù)電池組。兩個(gè)芯片可以通過(guò)I2C 接口與主控芯片通信，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和觸發(fā)的警報(bào)提醒，實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的控制與保護(hù)功能。

后端控制模塊采用微控制器STM32L431RCT6 控制，通過(guò)與前端監(jiān)測(cè)芯片通信，獲得電池組的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)燒錄的程序進(jìn)行分析計(jì)算，采集各單體電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)然后估算出SOC，從而實(shí)時(shí)分析計(jì)算得出電池組整體狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)單體電池的狀態(tài)和采集模塊的報(bào)警數(shù)據(jù)，及時(shí)采取均衡管理，進(jìn)行充放電的控制，防止電池組出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱等情況，延長(zhǎng)電池使用壽命，提高電池效率。此外，微控制器還可通過(guò)一路CAN 通訊與上位機(jī)或其他設(shè)備相連，實(shí)時(shí)顯示電池組的具體情況[6]。

此外，設(shè)計(jì)了輸入電壓、電池采集、均衡、充放電控制、控制、通訊等主要電路模塊。這些模塊相互協(xié)同合作，滿足電池管理系統(tǒng)全部功能需求。

二、BMS 功能模塊設(shè)計(jì)

1.溫度采集模塊

設(shè)計(jì)了5 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)通道，分別為芯片溫度、電路板表面溫度和三條電池溫度監(jiān)測(cè)通道。其中，芯片溫度和電路板表面溫度連接到相應(yīng)的溫度傳感器，三條電池溫度監(jiān) 測(cè)通道通過(guò)型號(hào)為103 AT 的熱敏電阻與BQ76940 相連。測(cè)溫電路如圖2。這些監(jiān)測(cè)通道可用于監(jiān)測(cè)電池溫度和芯片的工作溫度，提高電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖2 一組溫度采集具體電路

測(cè)溫電路獲得電池的溫度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)紹Q76940 的寄存器內(nèi)，通過(guò)已經(jīng)寫入寄存器的數(shù)據(jù)，從而根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算得出具體熱敏電阻阻值，根據(jù)熱敏電阻的溫度與阻值對(duì)照表，可以得出當(dāng)前的溫度值。

公式2 中VTSX代表ADC 轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后的數(shù)值，ADC 代表芯片采集到數(shù)值，RTS為熱敏電阻的阻值。

2.供電模塊

無(wú)人車的電源采用13 節(jié)18650 三元鋰電池串聯(lián)，以滿足穩(wěn)定的48V 輸入電壓需求。電池組通過(guò)HX25003-14A（圖2）線對(duì)板連接器連接，共14 個(gè)引腳，其中第一節(jié)電池負(fù)極連接CELL0 引腳，第一節(jié)電池正極與第二節(jié)電池負(fù)極間連接CELL1 引腳，最終連接至CELL13 與第13 節(jié)電池正極相連。

硬件設(shè)計(jì)中，結(jié)合線對(duì)板連接器，CELL0 與電池組負(fù)極相連，CELL13 與電池組正極相連。電池組不僅提供車輛動(dòng)力，還為電池管理芯片和微控制器提供電源。采集引腳通過(guò)BQ76940 內(nèi)部LDO 將輸入的部分電壓降為穩(wěn)定的3.3V，其中部分供給芯片內(nèi)部電路，部分通過(guò)引腳REGOUT 為其他芯片供電，微控制器通過(guò)VBAT 引腳輸入3.3 V 以供給其運(yùn)行。

此外，在CELL0 引出電路與其均衡電路之間設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)電阻（阻值不大于0.005Ω）保護(hù)控制電路如圖3 所示，此電路通過(guò)該電阻保護(hù)控制電路，在此作為一個(gè)熔絲起到保護(hù)二級(jí)電路作用，在電池出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以及時(shí)熔斷以斷開電池組的電壓輸入。

圖3 線對(duì)板連接器HX25003-14A

圖4 保護(hù)控制電路ADCcell

3.電壓采集模塊

BQ76940 是一款高性能、高精度、穩(wěn)定性良好、響應(yīng)速度快的電池管理芯片。它具有14 位的內(nèi)部ADC，可實(shí)現(xiàn)電池電壓的精確測(cè)量，通過(guò)電壓換算公式（式3）將ADC 值轉(zhuǎn)換為每個(gè)單體電池的電壓值。其中的增益GAIN 和偏移量OFFSET 被存儲(chǔ)在芯片EEPROM 中，可通過(guò)I2C 調(diào)用寄存器獲取。每個(gè)單體電池的電壓值將被相加并在BAT 寄存器中存儲(chǔ)，以進(jìn)行后續(xù)SOC 估算等數(shù)據(jù)分析。BQ76200 芯片通過(guò)監(jiān)測(cè)電池組電壓并將數(shù)據(jù)上傳至BQ76 940，微控制器也可以獲取采集的電壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行SOC 的估算和電路控制。

電壓換算公式中Vcell代表單體電池的電壓值，代表芯片采集到數(shù)值，GAIN 為增益，其單位為μV/LSB，OFFSET 為偏移量，其單位是mV。

4.電流采集模塊

為了提高電流采集的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了兩路電流采集電路。第一路是BQ76940 芯片利用庫(kù)倫電荷計(jì)數(shù)器測(cè)量電池組的電流，該方法基于電荷守恒原理，通過(guò)電容器存儲(chǔ)電荷并計(jì)數(shù)電荷數(shù)量進(jìn)行測(cè)量。在電池組內(nèi)，電流通過(guò)低阻值電阻會(huì)產(chǎn)生微小電壓。該電壓信號(hào)通過(guò)BQ76940 的模擬信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過(guò)濾波和校準(zhǔn)等處理，最終得到精確的電流值。采用電荷計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電流監(jiān)測(cè)，并適用于不同范圍和精度的電流測(cè)量需求。該方法可確保電池組電流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，提高電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

另一路電流采集電路的外部電路如圖5 所示，該電路采用0.005Ω的精密電阻，需要2512 封裝，最大功率為2W，最大流通電流為20A。具體過(guò)程為：BQ76940 的SRP 和SRN 引腳測(cè)量精密電阻電壓，微控制器計(jì)算電流數(shù)值。由于精密電阻兩側(cè)的電壓值很小，通過(guò)串聯(lián)電阻和電容放大電路，提高電流集采精度。

圖5 外部電流采集電路

5.均衡模塊

BQ76940 芯片內(nèi)置電池平衡FET，可通過(guò)控制主機(jī)寄存器來(lái)啟用。這簡(jiǎn)化了電池平衡的實(shí)現(xiàn)，降低了BOM成本和PCB 面積。但僅使用內(nèi)部FET 進(jìn)行電池平衡，電池均衡電流受限，需要更多的循環(huán)完成均衡，效率較低。為了提高均衡速度，需要外部均衡電路的設(shè)計(jì)。

圖6 中的均衡電路主要依靠N 溝道MOSFET。通過(guò)BQ76940 采集引腳對(duì)MOS 管門極的高低電平信號(hào)，控制其通斷，實(shí)現(xiàn)單體電池均衡功能。工作流程為：當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到電池組中的某些單體電池超過(guò)誤差限值時(shí)，開啟均衡模式。以CELL1 和CELL2 為例，此時(shí)以CELL2 路為正極，CELL1 路為負(fù)極，當(dāng)容量或電壓高于其他電池時(shí)，采集引腳對(duì)Q2 的門極輸入低電平，導(dǎo)通MOS 管，電路中只連接一個(gè)電阻，通過(guò)電阻來(lái)消耗電量使其容量或電壓與其他電池相同，均衡模式結(jié)束。對(duì)Q2 的門極輸入高電平，MOS 管斷開，恢復(fù)正常工作。

圖6 單一回路均衡電路圖

6.控制模塊

控制模塊主要由BQ76200 芯片實(shí)現(xiàn)充放電控制。使用BQ76200 芯片引腳CHG 和DSG 搭建充放電控制電路，具體如圖7 所示。在充放電控制模塊中，BQ76200 芯片通過(guò)CHG 和DSG 引腳的高低電平信號(hào)，控制充放電電路的通斷。根據(jù)電路圖，高低電平信號(hào)控制Q18 和Q19 兩個(gè)MOS 管的門極，再加上二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電控制。工作流程為：CHG 電平高、DSG 電平低時(shí)，Q18 開啟，Q19 關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)充電；反之，CHG 電平低、DSG 電平高時(shí)，Q19 開啟，Q18 關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)放電。因此，在BQ76940 和BQ76200 協(xié)同組成的電池管理系統(tǒng)中，充放電控制電路一般由MOS 管和控制電路組成。

圖7 充放電控制電路

此外，由STM32L431RCT6 芯片實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，復(fù)位，通訊等功能，圖8 展示了STM32L431RCT6 芯片中的其他控制電路。其中，VBAT 是3.3V 芯片供電引腳；PH0-OSC-IN、PH1-OSC-OUT 負(fù)責(zé)連接外部晶體振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)；NEST 與外部復(fù)位電路連接；VSS 和VDD 為接地和供電電壓引腳；PB5～PB9接連接五個(gè)LED 等指示電池電量和工作狀態(tài)；BOOT0 外部連接啟動(dòng)電路；PA15 連接喚醒電路；PA13、PA14 連接調(diào)試、編程同步數(shù)據(jù)電路；PA11、PA12 連接CAN 通訊模塊電路，還可以擴(kuò)展出485 和TTL通訊；SCL、SDA 接口用于微控制器通過(guò)I2C 與其它模塊進(jìn)行通訊，其他I/O 引腳可以作為信號(hào)傳輸和控制接口。

圖8 其他控制電路圖

8.通訊模塊

電池管理系統(tǒng)CAN 通訊電路采用TJA1050T 芯片，是一款高速CAN 總線收發(fā)器，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、低電平差分輸出、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)等特點(diǎn)，保證高可靠性和穩(wěn)定性。CAN 通訊電路原理圖如圖9 所示，其中CAN_H 和CAN_L 是最重要的引腳，用于傳輸CAN 總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)。VCC 和GND 提供正負(fù)電源，RXD 和TXD 用于與MCU 或其他設(shè)備通訊。

圖9 CAN 通訊電路原理圖

三、電池管理系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

由于當(dāng)前BMS 芯片級(jí)別仿真不成熟，通過(guò)搭建硬件電路板進(jìn)行通訊，如圖10 所示，圖中1-3 分別為控制模塊、采集模塊以及均衡模塊。將13 節(jié)18650 電池進(jìn)行串聯(lián)接入設(shè)計(jì)的硬件電路中，通過(guò)將整個(gè)電路中采集到的電池的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)與電池經(jīng)過(guò)高精度的萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終誤差較小，符合無(wú)人車的總體設(shè)計(jì)需求。通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行多次的充放電測(cè)試，設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)整體未出現(xiàn)故障，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)的對(duì)電池的充放電控制，有效的提高了電池組的性能，提升了無(wú)人車的整體工作效率。

圖10 系統(tǒng)整體硬件電路

四、結(jié)語(yǔ)

無(wú)人車工作中電池可能存在過(guò)充、過(guò)放、續(xù)航低等問(wèn)題，為滿足其功能需求，提出48VBMS 硬件設(shè)計(jì)方案，采用BQ76940 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和保護(hù)，采用STM32L431RCT6 微控制器，設(shè)計(jì)輸入電壓、電池采集、均衡、充放電控制、控制、通訊等主要電路模塊，相互協(xié)同合作，滿足48V 無(wú)人車電池管理系統(tǒng)功能需求，實(shí)現(xiàn)電池單元的智能維護(hù)與管理，防止電池過(guò)度充放、過(guò)熱等情況，并延長(zhǎng)電池使用壽命，提高電池效率，為無(wú)人車的安全和可靠性提供保障。