基于STM32的锂电池组SOC管理系统的研究与设计 作者：潘莹 朱武 张佳民
来源：《科技创新与应用》2017年第31期
摘 要：针对锂电池组单体多、电路复杂使SOC管理不到位的问题，设计出一种新的锂电池组SOC管理系统。硬件上通过集成的电池管理芯片实现电池状态参数的采集，STM32控制器通过IIC总线实现数据接收及处理，算法上采用开路电压结合安时积分方法实现SOC实时估计。该系统电路拓扑简单，稳定性和可靠性较高。实验证明，该系统能实现锂电池组SOC的实时监测，准确度高。 关键词：电池管理系统；STM32控制器；电池管理芯片；开路电压法；安时积分法
中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0026-02
引言
锂电池作为未来电池发展的重要方向，离不开有效的能量管理系统（Battery managemen
t system， BMS ）。电池荷电状态（State of charge，SOC）作为BMS的主要参数，实时监测SOC能够防止锂电池过充过放，从而延长电池寿命，保证电池组的续航里程[1-2]。如果电池组单体较多，需要采集大量的数据，如果用传统的数据采集电路，接线复杂，对于嵌入式系统来说，这种方案并不可取[3]。所以本文以磷酸铁锂电池为研究对象，以STM32F103V作为主控芯片，利用集成的电池管理芯片设计锂电池管理系统，实现对整组电池SOC的实时监测。
1 系统硬件设计
为了实现对锂电池组的实时监测与管理，整个管理系统的功能主要包括电池组电压、电流和电池单体电压、温度等数据的采集，通过主控芯片STM32来估计电池SOC以及显示电池组基本信息，整个系统框图如图1所示。
1.1 电池组基本参数采集
采用TI的集成电池管理芯片，避免了传统数据采集时复杂的接线，能准确的采集到电池组电压、电流、单体电压以及温度等信息，本系统采用BQ76930芯片，内部集成了14-bit AD
C，能同时采集10个电池串联组成的电池组的数据，单体端电压测量范围为0-6.275V。将电流检测电阻两端的电压通过芯片引脚SRP和SRN，连接到芯片内部ADC和库仑计，计算累积电荷，从而达到检测电流的目的。引脚TS1和TS2外接两个热敏电阻，可以同时测量电池组内两点的温度。
1.2 数据处理
BQ76930将采集到的数据通过IIC总线传给STM32芯片，由芯片处理后通过GPIO口，将电池组的状态参数传递给显示器界面，如果电池状态异常，通过显示的信息，可以人工控制电池组，也可以通过控制电路上的开关器件，及时对电池组进行控制。
2 SOC估计算法
安时积分法对于SOC预测的准确性严重依赖于对SOC0的估计，本系统利用开路电压法OCV（Open circuit voltage）确定SOC0，预先标定电池的OCV和SOC的关系，以0.5C电流给电池充电，当充电电流降至65mA时，停止充电，记此时锂电池的SOC为1，静置后测量电池的OCV，利用电子负载以1C电流给电池放电，每隔5%SOC记录锂电池在静止状态下的开
路电压，实验结果如图4，利用多项式拟合OCV-SOC的关系式，如式（2）所示，得到不同OCV下的SOC0。
3 系统软件设计
系统工作时，对于SOC的估计主要分为两个阶段，电池组状态稳定时，根据电池的开路电压估计电池的初始SOC；电池组工作时，根据充放电电流积分结合在线估计电池SOC的变化量，当某个单体电池SOC最先达到充电阈值或放电阈值时，主控制器向显示器发送信息，并且由控制电路中断电池组充放电。程序流程图如图3所示
4 系统性能测试
测试所用电池组由10个松下18650型锂电池串联，电池单体容量为3.5Ah，额定电压为4.2V。对电池组进行充放电实验，电流大小为1A，电池管理系统采集到电池实时端电压，根据初始时刻端电压以及充放电电流大小计算实时SOC，如图4和图5所示。测试结果显示，这种SOC管理系统可以实现成组电池的单体的管理。
5 结束语
利用集成的电池管理芯片BQ76930采集电池组状态参数，避免了传统方式数据采集时复杂的接线， STM32作为主控芯片，利用丰富的GPIO口控制方便控制显示电路及其他电路，使电池组管理系统集成度更高，抗干扰能力以及数据采集精度更高，在实际系统中使用方便灵活，可以实时监控电池组的SOC信息。
参考文献：
[1]刘莉，胡社教.基于锂电池SOC估算方法[J].电源技术，2017（01）：4-6，63.
[2]麻金龙，夏超英，蔡奔.基于Infineon XC2785的电池管理系统采集单元设计[J].仪表技术与传感器，2014（7）：24-30.
[3]肖艳军，刘蕊，宋海平，等.基于单片机的锂电池管理系统研究与试验[J].控制工程，2016（7）：1001-1005
[4]范兴明，曾求勇，张鑫.基于改进安时积分法的电动汽车电池SOC估计与仿真研究[J].电气应用，2015（8）：111-115.
[5]李哲，卢兰光，欧阳明高.提高安时积分法估算电池SOC精度的方法比较[J].清华大学学报（自然科学版），2010，50（08）：1293-1296+1301.
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