一种基于STM32的锂电池组主动均衡控制系统

一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统
技术领域
1.本实用新型属于锂电池技术领域，尤其是涉及一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统。


背景技术：

2.随着能源资源的匮乏和环境问题的日益加剧，新能源电动汽车逐渐成为汽车行业的重点发展方向。锂电池因具备比功率高，能量容量大，无记忆效应，循环寿命长，自放电率低和无污染等众多优点，在电动汽车中应用最为广泛，但单节锂电池的电压、电流、容量等参数较小，因此需将多节电池串并联形成电池组才能满足高能量和大功率的需求。
3.锂电池在生产制造过程中，由于制造材料、外部环境温度、制造工艺水平等因素，同一条生产线的产品也会出现个体差异；单体锂电池之间容量也会存在差异，电池的容量会影响电池的放电深度，容量较小的电池在充电过程中易于过充过放，加快电池理化性质的衰减、缩短电池使用寿命，相比之下，容量大的会慢充浅放，电池的性能及理化状态优于容量小的。在锂电池组长期工作过程中，随着充放电次数的增加，单体锂电池间的差异会逐渐累计扩大，最终影响整体性能。即使是全新的锂电池的出厂初始容量也存在一定的差异。电池在使用时，根据“短板效应”会出现过压、欠压、过流和过温等问题，多次使用后电池间容量不一致会在原有差异的基础上扩大。综上所述都引发了单体电池之间荷电状态(soc)不均衡，这种不均衡会使电池之间的差异越来越大，造成恶性循环。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统，采用主动式双向dc/dc电池均衡电路，可有效实现电池电量均衡。
5.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统，其特征在于：包括控制模块，以及与控制模块连接的电压采集模块、主动均衡模块、电流采集模块、温度采集模块、lcd显示模块；
7.电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块分别用于采集锂电池组的电压信息、电流信息和温度信息；
8.主动均衡模块用于均衡锂电池组的电量；
9.lcd显示模块用于显示锂电池组的工作状态信息。
10.进一步的，还包括报警模块，所述报警模块用于在锂电池组的电压，电流出现异常或者温度过高时报警模块工作，发出警告。
11.进一步的，还包括电源模块，所述电源模块用于供电。
12.进一步的，所述控制模块包括stm32f103zet6，电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块采集到的锂电池组的电压信息、电流信息和温度信息输送至控制模块。
13.进一步的，电流采集模块、温度采集模块检测出的模拟量信号还经过控制模块内
部的ad转换电路转换成控制模块能识别的数字信号。
14.进一步的，控制模块将采集到的电压信号和电流信号作为输入变量用拓展卡尔曼滤波算法估计出锂电池组的荷电状态，将估计出的荷电状态作为主动均衡器的均衡变量，发出控制信号，控制主动均衡模块中mosfet的通断来实现锂电池组的主动均衡控制。
15.进一步的，主动均衡模块包括主动式双向dc/dc电池均衡器，用于根据控制模块估计出的荷电状态均衡锂电池组的电量。
16.进一步的，电源模块输入端的vim引脚通过线圈l11连接+24v，电源模块的输出端vo连接+12v，电源模块的输入端还包括电容c13，输出端还包括电容c11。
17.相对于现有技术，本实用新型所述的一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统具有以下有益效果：
18.(1)本实用新型所述的一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统采用stm32控制器作为核心控制模块，该控制器以cortex-m3核arm芯片 stm32f407zet6为基础，构建最小开发系统。该芯片时钟频率在工作电压为 3.3v时可达到72mhz，性能较高，flash大小为512k，功耗较低，共100个引脚，满足系统实用需求。
19.(2)本实用新型所述的一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统采用拓展卡尔曼滤波的算法(ekf)，利用检测出的开路电压和负载电流估计出锂电池组的荷电状态(soc)，将估计出来的荷电状态(soc)选作均衡变量对锂电池组进行主动均衡。该方法相较于选择电压作为均衡变量这种传统方法来对锂电池组进行均衡，均衡结果更加可靠。
附图说明
20.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
21.图1为本实用新型实施例所述的一种基于stm32的锂电池组主动均衡控制系统硬件结构框图示意图；
22.图2为本实用新型实施例所述的系统工作原理图示意图；
23.图3为本实用新型实施例所述的主动均衡电路图示意图；
24.图4为本实用新型实施例所述的系统具体电路原理图和参数设置示意图；
25.图5为本实用新型实施例所述的系统典型应用电路原理图示意图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
28.如图1至图5所示，包括串联锂电池组，电压采集模块，主动均衡模块，电流采集模块，温度采集模块，控制模块，lcd显示模块，报警模块，电源模块。所述的电压采集模块，电流采集模块，温度采集模块将检测到的信号转换为电信号传输给stm32控制器。所述的stm32控制模块由stm32f103zet6 芯片及其外围电路构成最小系统，通过i/o接口和外围电路的连接来完成系统控制和数据处理功能。主动均衡模块采用主动式双向dc/dc电池均衡
器根据stm32控制器估计出的荷电状态(soc)主动均衡锂电池组的电量，直到串联锂电池组的荷电状态(soc)差异小于阈值。
29.信号采样部分包括电压采集模块，电流采集模块，温度采集模块，分别采集串联锂电池组的开路电压，电流，温度信号，检测出的信号是模拟量都需要经过调理电路转换成stm32能识别的数字信号，从而进一步产生控制信号。
30.以stm32为核心的控制模块将采集到的电压，电流信号作为输入变量用拓展卡尔曼滤波算法(ekf)估计出锂电池组的荷电状态(soc)，将估计出的荷电状态(soc)作为主动均衡器的均衡变量，发出控制信号，控制主动均衡模块中mosfet的通断来实现锂电池组的主动均衡控制。
31.所述的主动均衡模块，接收到stm32控制模块的控制信号，控制信号控制mosfet导通，实现串联锂电池组间的电量均衡，提高锂电池组的均衡效果和能量利用效率。
32.所述的lcd显示模块，报警模块，用于监视锂电池组的工作状态。其中 lcd显示模块用于实时显示锂电池组的电压，电流，温度信息；当锂电池组的电压，电流出现异常或者温度过高时报警模块工作，发出警告。
33.本实用新型提供一种锂电池组主动均衡控制系统，所述的包括串联锂电池组，电压采集模块，主动均衡模块，电流采集模块，温度采集模块，stm32 控制模块，lcd显示模块，报警模块，电源模块。
34.所述的电压采集模块负责测量锂电池组的开路电压，所说的电流采集模块负责测量锂离子电池的负载电流。所述的温度采集模块负责实时监测锂离子电池表面的温度，所述的stm32控制器负责完成核心的控制功能。所述的主动均衡模块根据接收到stm32控制信号实现对锂离子电池组的均衡控制。所述的lcd显示模块显示锂离子电池的电量，电压，电流，温度信息。
35.所述系统通过电流采集模块采集锂电池组的负载电流，此部分采用 acs752sca-050霍尔电流传感器，该传感器可靠性高，功率损耗低，且自带电气隔离功能，可检测电流范围为
±
50a，隔离电压高达3000v。采集到的电信号经a/d转换将数字信号发送给stm32控制器进行处理。
36.电压采集模块采集锂电池组的开路电压，此部分采用ltc6803-2芯片，该芯片可以精准测量串联锂电池组中连续12个电池单体电压，引脚与内部 12位逐次逼近型adc相连，采集到的电信号经a/d转换将数字信号发送给 stm32控制器进行处理。
37.所述的stm32控制器将经转换的电流数据和电压数据进行处理，用拓展卡尔曼滤波的方法估计出每个锂电池单体的荷电状态(soc)，在此基础上产生控制信号来控制主动均衡电路中的mosfet的导通。
38.所述的主动均衡电路根据stm32控制器发送的控制信号主动地实现 mosfet的导通，当充放电完成后锂电池组中两个电量差异最大的锂电池单体电量差异超过阈值，电量高的锂电池经主动均衡电路向电量低的锂电池充电直到两个锂电池单体的电量差异小于阈值。
39.所述的温度采集模块是以stm32控制器和单总线数字温度传感器 ds18b20为核心，充分利用stm32控制器优越的内部资源以及智能传感器 ds18b20的优越性能构成一个完备的温度采集系统，该传感器只需一根数据线与微控制器连接，实现模拟温度到数字温
度的转换，且芯片采用独特的“寄生电源”式供电，无需提供外部电源，只需要从数据线供电，温度测量范围为-55℃～+125℃，符合本系统要求。
40.所述的报警模块在锂电池组的电压，电流出现异常或温度过高时发出报警信号。
41.图1为本实用新型系统结构图，包括串联锂电池组，电压采集模块，主动均衡电路，电流采集模块，温度采集模块，stm32控制模块，lcd显示模块，报警模块，供电模块。该系统以stm32zet6芯片为核心构成最小系统，通过i/o接口和外围电路的连接来完成系统控制和数据处理功能。电源模块为stm32控制器供电。
42.图2为本实用新型系统工作原理图，所述的电压采集模块和电流采集模块，检测出各锂离子电池的开路电压和负载电流，经过各自的a/d转换电路，将电信号转换成可由stm32控制器识别的数字信号。
43.stm32控制器将接收到的信号进行处理，根据开路电压和负载电流建立系统状态方程，采用拓展卡尔曼滤波算法(ekf)根据接收到的信号，实时估计出各锂电池单体的荷电状态(soc)。
44.判断各锂电池组单体的荷电状态(soc)差异是否在允许范围之内，如果超出设定的阈值，stm32控制器发出控制信号控制主动均衡模块实现电量的均衡。
45.图3为主动均衡电路图，ln1，ln2，ln3为功率电感实现能量传递；rn1， rn2，rn3为功率电感及线路上的等效电阻；mn1，mn2为n功率mosfet，用于控制主动均衡电路的开启和关闭，en1，en2为待均衡的两节锂离子电池，整个均衡过程分为en放电和en+1反向充电两个阶段。
46.在en2放电阶段，stm32控制器输出控制信号，令mn2闭合，en2，ln2， rn2，mn2，rn3，ln3一起构成放电回路。在放电过程中，由于电感ln2，ln3 的存在，放电电流id从零开始逐渐增大，部分电能转化为磁能储存于电感中，这部分电能将在en1反向充电阶段作为电源对en1充电。
47.在en1反向充电阶段，在mn2断开后，电感中储存的能量需要释放，mn1 闭合，此时en1，ln1，rn1，mn1，rn2，ln2一起构成充电回路，由于电感 ln2中的电流不能突变，电感ln2作为电源对en1反向充电，随着电流的减小，直到电感两端电压不足以支持en1电压、d1的正向导通电压时，充电电流下降为0，充电阶段结束，实现两个锂离子电池的电量均衡。
48.对锂离子电池组中的荷电状态(soc)尚未均衡的部分，stm32控制器控制主动均衡电路的选择开关，连通尚未均衡的锂电池，主动均衡电路继续工作，直到串联的锂电池组整体达到电量均衡。
49.如图4所示，本系统设计主控单元的供电电路是基于汽车级别，需要实现从输入电压24v-12v-5v-3.3v的阶梯型电源电压值的转换。由于汽车中存在大量功率开关、继电器等导致的电磁干扰，因此必须选用一款专用于锂电池组的隔离电源芯片。在本电路中采用b2412ls-1w隔离电源芯片，可以实现24v到12v的电压转换。这是一款可以应用于汽车级的隔离电源芯片，具有低纹波、emc良好的优点，可以承受-40℃到+85℃范围内的温度。
50.采用上述芯片可以对汽车供电模块和电池管理系统供电电路起到隔离作用，同时也对供电电路起到保护作用。在芯片的输入端，提供了一个lc滤波电路，起到降低纹波的作用，具体电路原理图和参数设置如图4所示。
51.如图5所示，该芯片内部集成了热保护功能，防止高温对电路的伤害；滤波电容的
加入可以使输入输出端的电压更加稳定，lm1117idtx-5芯片给出的典型应用电路原理图如图所示
52.5v-3.3v的电源芯片选用和12v-5v同系列的lm1117idtx-3.3芯片，其实物图与电路原理图和5v的电源芯片相似，
53.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
54.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。