一种基于CAN总线的电动车电池管理系统

本设计主控板以STM32F107为核心，子控版以C8051F500单片机为核心，通过CAN网络进行通信管理，实现了电池充放电保护、抑制电池间的不一致性、记录历史数据等功能。系统兼顾成本，稳定性，精确度，实时性，具有良好的发展前景。

随着电池能源的广泛应用，石油资源的枯竭和环境污染，电动汽车以其节能环保的优势引起越来越多的重视，在电动汽车的研究和发展上，车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重要位置。电动汽车动力电池在应用中的主要问题表现在：生产过程中，电池的工艺，技术以及成组技术还不能保证其初始性能具有良好的一致性;使用过程中，对过充电、过放电、过温度、过电流等非常敏感，这类情况的发生会明显缩短电池寿命，甚至会导致电池报废。电池组是几十个甚至上百个单体电池串联，单体电池之间存在不一致性，随着连续的充放电循环，电池间的不一致性加剧，电池组的可用容量受容量最小的单体电池制约。对于这些情况，电池的初始性能必须要依靠企业生产工艺的优化，生产过程关键参数的控制来改善，而使用过程中出现的问题则需要电池管理系统来解决。本设计是以STM32F107为核心的主控制器通过CAN通信网络控制以C8051F500单片机为核心的电池组信息采集和基本控制模块工作及获取数据。主要实现了单体电池的过压放电均衡，过流保护、过温保护、过放电保护以及通过上级控制器汇报并存储整体电池组的工作状态。

1 硬件设计

1.1 系统总体架构

系统所监控管理的电池包组成结构为：先将一定数目的锂离子电池串联，将若干电池串并联成一电池组，最后将若干电池组串联构成整体的电池包，这种串并联复用的组织形式有利于进行单串电池的充放电起停操作，降低使用过程中产生的电池容量不一致性。管理系统的构成如图所示，每个电池串配置一个二级控制器监测管理，采集电流、电压、温度等数据并上传，控制电池串起停与均衡操作，一级控制器为双CAN控制器结构，CAN1控制器与二级控制器组成电池组的CAN网络，CAN2控制器与主控板电池包组成内部一级CAN总线网络，负责向主控板汇报该电池组工作情况及向下属二级控制器传达指令，主控制板的CAN2控制器则接入整车CAN总线。由于各电池组为串联结构，电压的递增关系影响到二级控制器，故而供电时需经DC/DC转换。

1.2 主控制器、一级控制器架构

主控制器，一级控制器的核心控制由意法半导体的STFM32F107完成，STM32F107是一款高性能、低成本、低功耗的32位RISC微处理器，采用ARMCortex-M3的内核，内部含有256 kB的Flash和64 kB的SRAM，有着充足的编程空间，主频为72 MHz，足以承担对下级控制器的实时管理。所包含外设有：基本的电源电路、复位电路、标准JTAG调试口、双CAN物理层电路、EEPROM存储器，对于本系统设计来说是最佳方案。

1.3 二级控制器架构

由于锂离子电池单体电压较小，一般约为4 V，而整体电池包电压则高达数百伏，单串电池长度也在15个以上，而目前常用的电池测量芯片成本较高且只能监测6节或12节电池电压，综合考虑决定以C8051F500为核心设计二级控制器，这种设计相较于专用电池测量芯片而言，缺点是精度较低，优点是可以对所测量的数据先进行计算处理，不完全依赖上级控制器的指令。

C8051FS00处理器按AEC-Q100测试标准设计，具有宽工作电压、宽工作温度范围、抗干扰能力强并内置CAN及LIN总线控制器，适合汽车电子及工业控制方面的应用。该芯片具有32路I/O口，接口数满足监控电池串工作的需要，具有12 bit的ADC，每个通道的最小建立时间<50μs即巡检一个循环的总时间<1 ms，足以支持对于电池串的实时监控，控制器架构如图2所示。

其中带隔离驱动的CAN总线物理层电路如图3所示，此外还有DC/DC电源，C2在线调试接口等外部设备。