基于STM32F103RCT6的电池管理系统设计

Vol. 38 No. 6Nov. 2020
第38卷第6期2020 年11月佳木斯大学学报(自然科学版) Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition )文章编号：1008 -1402(2020)06 -0017 -05
基于STM32F103RCT6的电池管理系统设计
①
张洪涛，夏耀威
(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)
摘 要： 为精确估算锂电池的荷电状态(state of charge ，SOC )，设计了一种基于
STM32F103RCT6电池管理系统，进行了主控芯片，电流、电压、温度采集传感器以及CAN ( con ­troller area network ，CAN )总线通信芯片的选型及相应的电路设计。

在处理器STM32F103RCT6
的基础上设计了电流、电压、温度采集程序和CAN 总线通信程序设计，并对测量系统进行了性能
测试，测试结果显示，设计的估算系统对电流、电压和温度的采集数据的相对误差均控制在2%
以内，采集效果较好,SOC 的估算精度明显提高。

关键词：荷电状态；STM32F103RCT6 ；电池管理系统；数据采集
中图分类号：TM912 文献标识码：A
0引言
国外对电池管理系统(BMS)研究较早，美国、
日本、德国等发达国家已经投入的大量的人力财力
对电池管理系统的理论和应用进行深入研究，目前
设计出的系统应用较广。

TESLA 是美国一家新能
源公司，它的电池管理技术领先全球，其中一款最
新的电池管理系统可以安全管理7000块锂电池，
将其应用到Model S 型汽车上,续航里程高达500
公里;日本丰田公司旗下的油电混动汽车具有
动力强、油耗低的特点，能够达到这种节能减排的 效果，归功于它的电池管理系统⑵。

国内对电池管理系统的研究起步较晚,技术上
不如发达国家。

但随着国家对绿色、低碳发展的重 视,新能源、电动汽车等行业快速发展，国内也开始
了对电池管理系统的研究。

文献［3］为了延长电 动汽车电池的使用寿命，基于飞思卡尔单片机开发
出一款锂电池管理系统，能够对电池组中的每块电
池的电压、电流及温度进行测量的采集，并采用局
域网对其进行控制,调试结果显示，该款电池管理
系统有较大的实用价值。

文献［4］基于
TMS320F2812控制器设计出一款电池管理系统，
该系统的硬件电路由多个模块组成，主要包括电池 组电压、电流、温度采集电路,均衡控制电路、A/D
保护电路、二阶采样电路、安全检测电路和CAN 电
路,实验结果表明，该系统能够对能够准确采集电
池状态信息。

图1硬件设计思路
V12
+VC
V-12 |——-VC
Current IN
OUTPUT
GND >l||
0V
图2 HTB100 - P 的采样原理图
电池管理系统在电动汽车领域得到了一定的
发展,应用也越来越广泛,但一些关键技术难题仍
然没有被攻破，比如电池SOC 的估算精度以及蓄 电池管理系统的软硬件设计需要进一步研究。

① 收稿日期：2020 -10 -05
基金项目：国家自然科学基金项目(41601399)。

作者简介:张洪涛(1963 -)，男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士，研究方向：优化算法，
新能源测控等领域
18
佳木斯大学学报（自然科学版）
2020 年
1电池管理系统硬件设计
硬件设计部分主要包括主控模块选型，电流、
电压、温度测量模块的设计以及CAN 总线通信电
路的设计等，总体设计思路如图1所示。

1.1主控芯片选型
采集的数据进行运算和处理。

通过分析比较，本文
最终选择型号为STM32F103RCT6微型处理器，它
的特点是造价低、性能好、功耗低 STM32F103RCT6的详细参数可参考文献⑸。

主控芯片是整个电池管理系统的核心,负责对
图3AD7280A
Vss
AUX term
AUX1
AUX2
AUX3AUX4
AUX5
V req AUX6
-------------——
图4温度测量电路
1.2电流测量电路设计
电流是锂电池SOC 估算模型的输入参量，电
流测量值的准确性会直接影响锂电池SOC 的估算AD7280A 的电压采集电路
结果⑹。

为了得到更准确地电流值，本文选取电
流传感器的型号为HTB100 - P,它是由LEM 开发
的一款磁场平衡式电流传感器，具有绝缘性能好、 测量快、精度高等优点。

HTB100 - P 能够适应
10°C ~ +60°C 的工作的温度，其电源电压为土 15V,最大测量电流是50A,HTB100 -P 的采样原
理如图2所示。

1.3电压测量电路设计
电压能够反映锂电池的整体状况，也是锂电池
SOC 估算模型的输入参量［7］。

本文采用型号为
AD7280A 电池管理芯片进行电压采集锂,该芯片
是由ADI 公司开发的，具有12bit 的数据通道，每
个通道相互转换的时间仅为10 - 3毫秒。

AD7280A 电压管理芯片温度适应性较好，可在- 40C ~105C 的范围内正常工作。

该芯片测量电压
的范围是8V ~ 30V ,既能单片使用,
也能以菊花链
第6期张洪涛，等：基于STM32F103RCT6的电池管理系统设计19
< canr X>
< CANTg ?-
的形式连接后多片使用，电压测量精度为2mV 。

AD7280A 的电压采集电路如图3所示
VCC1VCC2RXD CANH TXD CANL
GND1
GND2
图6主程序设计流程图
图5 CAN 电路图
AD7280A 的 AUX1 ~ AUX6 通道。

图7电流采集程序设计流程图
1.4温度测量电路设计
1.5 CAN 通信电路设计
锂电池在充放电过程中,表面温度的升高会使
电池内部的化学成分法发生变化，降低安全性，也 会加快电池的老化。

温度也是锂电池SOC 估算模
型的输入参量，温度测量的精确与否会直接影响 SOC 的估算结果⑻。

本文采用型号为NTC10K 的
热敏电阻进行温度测量。

测量电路如图4所示，测
量时，将6个NTC10K 热敏电阻分别接入
CAN,即控制器局域网络。

CAN 总线通信具
有硬件连接方便、可靠稳定且成本较低的特点，在
电池管理系统中应用广泛。

本文采用BOSCH 开
发的一款产品，其电路图如图5所示。

该款CAN
总线通信的隔离芯片采用工作电压为5V 的
ISO1050共模电压的范围是-12V ~ 12V ，额定运行
温度为-55°C ~105°C,其中电阻R115的作用是
20佳木斯大学学报(自然科学版)2020年
增大TXD电流,
图8电压、温度采集程序设计流程图
2电池管理系统软件设计
2.1主程序设计
主程序设计是在处理器STM32F103RCT6的基础上进行设计的，电流、电压、温度以及CAN通信等硬件电路需要系统软件进行控制,当锂电池正常充放电时，电流、电压、温度等传感器采集到相关数据保存下来，经CAN总线处理后将数据输入估算模型［9］，部分流程如图6所示。

2.2子程序设计
(1)电流采集程序设计
电流采集程序设计流程如图7所示。

采用前,应先将STM32F103RCT6处理器的ADC通道初始化，便于I/O端口能够接受到电流信号。

另外需要将ADC设置为连续装换模式，便于数模转换后的电流信号能够进行DMA传输。

(2)电压、温度采集程序设计
本文电压采集芯片采用的是AD7280A,由于热敏电阻NTC10K接在电压采集芯片上，因此将电压和温度的采集子程序一起设计,设计流程图如图8所示。

AD7280A芯片对电压和温度进行采集时的输入端均为8路，采样周期为400ns。

采样应在CNVST控制寄存器为0时开始，采用过程中使用CRC进行校验,这样可以提高A/D转换传输的正确率。

(3)
CAN总线通信程序设计
为了完成数据交换以及传达控制指令,需要对CAN通信子程序进行设计,CAN总线通信是通过CAN控制器实现的，控制器通过寄存器对总线上的数据进行发送和接受。

本设计的CAN发送和接受数据的流程如图9所示。

3测量系统性能测试
为了完成电池管理系统的测试，选取8节额定电压为4.2V,容量为1.75A-h的LiFePO4电池进行实验。

将测试系统采集到的电流值、电压值、温度值分别与实际值进行比较，电流、电压、温度采集值与实际值对比情况分别如表1~3所示。

表1电流采集值与实际值
采集次数实际值/A采集值/A相对误差/%
10.250.2520.8
20.50.5051
30.750.7570.93
41 1.0090.9
5 1.25 1.2570.72
6 1.5 1.5120.67
表2电压采集值与实际值
表3电流采集值与实际值
电池序号实际值/V采集值/V相对误差/%
1 4.135 4.1330.048
2 4.112 4.1090.073
3 4.11 4.0950.121
4 4.089 4.0850.098
5 4.147 4.1410.144
6 4.095 4.0910.098
7 4.124 4.1190.121
8 4.148 4.1420.145
由表1~3可知，本文设计的估算系统对电流、电压和温度的采集数据的相对误差均控制在2%以内，采集效果较好。

采集次数实际值/C采集值/C相对误差/% 126.326.10.76
226.726.50.75
327.126.6 1.84
427.326.8 1.83
527.827.4 1.44
628.528.1
1.40
第6期张洪涛，等：基于STM32F103RCT6的电池管理系统设计21
图9 can 发送和接受数据的流程图
4 结 论
(1) 完成了锂电池管理系统的硬件电路设计,
包括主控芯片选型，电流、电压、温度采集传感器选
型及其电路设计，以及CAN 总线通信芯片的选型
和电路设计。

(2) 完成了锂电池管理系统的软件程序设计,
在处理器STM32F103RCT6的基础上设计了电流、
电压、温度采集程序和CAN 总线通信程序设计。

(3) 完成了锂电池管理系统的性能测试，测试
结果显示,本文设计的估算系统对电流、电压和温
度的采集数据的相对误差均控制在2%以内，采集 效果较好。

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Design of Battery Management System Based on STM 32F 103 RCT 6
ZHANG Hong 一 tao , XIA Yao 一 wei
(College of Electrical and Electronic Engineering , Hubei University of Technology , Wuhan 430068 , China )
Abstract : In order to accurately estimate the state of charge of lithium battery , a battery management sys ­
tem based on STM32F103RCT6 was designed . The main control chip , current , voltage , temperature acquisition sensor and CAN bus communication chip were selected and the corresponding circuit design was carried out. Based on the processor STM32F103RCT6, the current , voltage , temperature acquisition program and CAN bus communication program are designed. The performance of the measurement system is tested. The test results
show that the relative error of the current ， voltage and temperature acquisition data is controlled within 2% ， the acquisition effect is good , and the estimation accuracy of SOC is significantly improved.
Key words : state of charge ; STM32F103RCT6; battery management system ; data
acquisition。