电动汽车蓄电池检测系统设计

夏浩，杨传升，杨雪银，赵航，时永豪

电动汽车蓄电池检测系统设计

夏浩，杨传升，杨雪银，赵航，时永豪

（临沂大学 机械与车辆工程学院，山东 临沂 276005）

文章设计了一款以STM32为核心的电动汽车蓄电池检测系统。采用安时积分法估算SOC值，通过均衡控制电路使各单体电池的充放电电压趋于一致。调试和实验结果表明，各单体电池间电压均衡，有效提升了电池的使用效率与寿命。

蓄电池组；SOC估算；均衡控制

1 研究意义

随着石油储量的减少和环境污染的加剧，燃油汽车终将退出历史的舞台。电动汽车由于无污染、高性能等优点，必将成为今后汽车发展趋势[1,2]。现今蓄电池制造技术发展迅速，各种高性能的电池不断涌现，如锂离子电池，镍氢电池等。但在我国，大多数电动汽车依然应用铅酸蓄电池，因此本文以铅酸蓄电池为研究对象。

铅酸蓄电池的设计寿命为5-8年，但由于在使用过程中存在过热、亏损等问题，不但加剧了亏损蓄电池使用寿命的减少，同时也影响性能好的蓄电池的使用寿命，致使蓄电池使用2-3年即报废。因此，必须设计良好的电池管理系统对蓄电池性能参数在线实时检测，及时发现和更换故障电池，使电池组始终处于良好的工作状态。基于此，本文设计了一款电动汽车蓄电池检测系统，通过实时检测充放电电压、电流和温度等参数，并利用安时积分法对电池的SOC值进行在线估算，以提高电池组的使用效率，延长其使用寿命。

2 系统构成

本检测系统主要由数据采集模块、数据处理模块、控制模块构成。系统通过数据采集模块获取电压、电流、温度等信号，发送给数据处理模块进行分析与处理，同时微处理器将分析结果发送给控制模块，从而对系统进行均衡控制和管理。电动汽车蓄电池检测系统原理框图如图1所示。

3 硬件设计

本设计以32位嵌入式单片机STM32F103ZET6为控制核心。该单片机是意法半导体公司推出的一款超低功耗32位微处理器，工作频率高达72MHz。片内具有64KB的SRAM和512KB的闪存，以及多达112个快速I/O端口。

图1 蓄电池检测系统原理框图

3.1 电压采集电路

本检测系统需采集单体电池电压和整个电池组的电压。

单路电池电压的采集选用Linear公司的LTC6802电池状态检测芯片，其可在13ms内完成多达12节串联电池的电压测量。该芯片内含精确的电压基准、高输入的多路复用器、12位的ADC。同时，还有2路热敏电阻输入，用于检测电池组工作时的温度[3-5]。LTC6802的应用电路简单，在此从略。

电池组总电压的采集应用电阻分压法，通过同时采集电池组的最高电压和最低电压，由此计算两者电势差，从而得到电池组的总电压。电池组电压采集电路如图2所示。

图2 电池组电压采集电路

3.2 电流采集电路

电流采集由霍尔电流传感器完成，主要通过检测霍尔元件两端压降从而计算出电流。主要由两个运算放大器TL072构成电压偏移电路和电压跟随器。电流采集电路如图3所示。

图3 电流采集电路

3.3 均衡控制电路

电池充放电过程中，各单体电池的电压并不相同。当单体电池电压偏差超过50mV时，就会影响电池的使用寿命和采集数据的准确性。因此，必须采取均衡措施，以减小电池间的电压差，实现均衡充放电，从而延长电池使用寿命和提高采集数据的准确性。

电池均衡控制电路有多种，本设计采用双向非耗散型均衡电路。均衡控制电路如图4所示。若电池BAT1电压高于BAT2，上桥臂Q1导通时，BAT1给电感L1充电；当Q1关断时，二极管D1导通，电感L1给BAT2充电，从而使两个电池电压平衡。反之，通过下桥臂Q2和D2的通断，实现能量的反向传递。其它单体电池间也是相同的均衡电路，最终实现了各电池间电压的平衡。

图4 均衡控制电路

4 软件设计

4.1 SOC估算

电池检测系统的关键在于SOC值的估算，从而估算剩余电量，以评估续航里程。SOC估算方法有多种，如开路电压法、安时积分法、内阻法、卡尔曼滤波法等，本设计采用安时积分法。

安时积分法是将电池储存的电荷量看作是线性系统，通过电流对时间的积累来估算电池剩余电荷量。其计算公式为：

式中：Q为额定容量；为库仑效率。

4.2 软件开发

电动汽车蓄电池检测系统软件采用C语言编写，采用模块化程序设计，包括主程序、数据采集子程序、SOC估算子程序、均衡控制子程序和通信程序等。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

5 总结

本文设计了一款基于STM32的电动汽车蓄电池检测系统。通过采集电压、电流、温度等信息，采用安时积分法估算SOC值，对电池组进行均衡控制。经调试和实验运行，各单体电池间电压均衡，各项参数稳定，提高了蓄电池的使用效率和寿命。

[1] 吴雅莉,刘彦芨.现代汽车电池的研究和应用[J].科技风,2019(11):11-13.

[2] 刘保杰,王艳.电动汽车电池管理系统[J].电气自动化,2010,32(1): 60-62.

[3] 杨杰,唐炜.铅酸蓄电池多参数在线检测系统的设计[J].机械与电子,2020,38(5):64-68.

[4] 舒泽芳,王娟.面向电动汽车蓄电池组的状态信号检测系统设计[J].机电信息,2018(36):129-130.

[5] 刘明忠,崔弘.嵌入式蓄电池SOC检测系统研究与设计[J].电源技术与应用,2014,40(9):58-61.

Design of Battery Testing System for Electric Vehicles

Xia Hao, Yang Chuansheng, Yang Xueyin, Zhao Hang, Shi Yonghao

( School of Mechanical and Vehicle Engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

This paper designs a battery detection system of electric vehicle with STM32 as the core. The SOC value is estimated by ampere-hour integral method, and the charging and discharging voltage of each battery in the balanced control circuit tends to be consistent. The test and experiment results show that the voltage balance between each cell effectively improves the service efficiency and life of the cell.

Storage battery; SOC estimate; Equalizing control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.004

U469.72

A

1671-7988(2021)07-10-03

U469.72

A

1671-7988(2021)07-10-03

夏浩，就读于临沂大学机械与车辆工程学院。