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STM32电池管理系统(BMS)：电量统计原理与实现

news 2025/10/22 11:53:25

一、引言

电池管理系统（Battery Management System, BMS）是电动汽车、便携式设备、储能系统等应用中的核心组件。准确的电量统计（State of Charge, SOC）是BMS的关键功能之一，它直接影响用户体验和电池寿命。本文将详细介绍基于STM32微控制器的电池电量统计原理，并提供完整的实现代码。

二、电池电量统计原理

2.1 SOC的定义

SOC（State of Charge）表示电池当前剩余电量占总容量的百分比，范围为0-100%。准确估算SOC是BMS设计的难点之一。

2.2 常用的SOC估算方法

2.2.1 开路电压法（OCV法）

原理：利用电池静置时的开路电压与SOC的对应关系来估算电量。

优点：

  • 实现简单
  • 不需要复杂计算

缺点：

  • 需要电池长时间静置
  • 精度受温度影响大
  • 不适合动态应用场景
2.2.2 库仑计法（安时积分法）

原理：通过对充放电电流进行时间积分来计算电量变化。

公式：

SOC(t) = SOC(t0) - (1/Qn) * ∫I(t)dt

其中：

  • SOC(t)：当前电量百分比
  • Qn：电池额定容量
  • I(t)：充放电电流（放电为正，充电为负）

优点：

  • 实时性好
  • 适合动态场景

缺点：

  • 存在累积误差
  • 初始SOC需要准确校准
  • 需要精确的电流传感器
2.2.3 综合算法

实际应用中，通常结合多种方法，如：

  • 库仑计法 + 开路电压校准
  • 卡尔曼滤波算法
  • 神经网络估算

本文重点介绍基于库仑计法的实现。

三、硬件设计方案

3.1 系统架构

[电池包] → [电流传感器] → [ADC采集] → [STM32处理] → [显示/通信]↓[电压采集]↓[温度传感器]

3.2 关键硬件选型

  1. 微控制器：STM32F103C8T6（或更高性能型号）
  2. 电流传感器：
    • 霍尔电流传感器（如ACS712）
    • 分流电阻 + 差分放大器
    • 专用电量计芯片（如INA226）
  3. 电压采集：电阻分压 + ADC
  4. 温度传感器：NTC热敏电阻或DS18B20

3.3 ADC配置要点

  • 采样频率：1-10Hz（根据应用场景）
  • 分辨率：12位ADC
  • 参考电压：3.3V或使用外部精密基准
  • 多通道采集：电压、电流、温度

四、软件实现

4.1 数据结构定义

// bms.h
#ifndef __BMS_H
#define __BMS_H#include "stm32f10x.h"// 电池参数配置
#define BATTERY_CAPACITY        3000    // 电池容量（mAh）
#define BATTERY_NOMINAL_VOLTAGE 3.7     // 标称电压（V）
#define BATTERY_MAX_VOLTAGE     4.2     // 最大电压（V）
#define BATTERY_MIN_VOLTAGE     3.0     // 最小电压（V）
#define CELLS_IN_SERIES         1       // 串联节数// 采样参数
#define SAMPLE_PERIOD_MS        1000    // 采样周期（ms）
#define SAMPLE_PERIOD_SEC       (SAMPLE_PERIOD_MS/1000.0f)// ADC参数
#define ADC_RESOLUTION          4096.0f // 12位ADC
#define ADC_VREF                3.3f    // 参考电压// 电压分压比（根据实际电路调整）
#define VOLTAGE_DIVIDER_RATIO   2.0f// 电流传感器参数（以ACS712-5A为例）
#define CURRENT_SENSOR_SENSITIVITY  0.185f  // V/A
#define CURRENT_SENSOR_OFFSET       2.5f    // 零电流输出电压// BMS状态枚举
typedef enum {BMS_STATE_IDLE = 0,BMS_STATE_CHARGING,BMS_STATE_DISCHARGING,BMS_STATE_FULL,BMS_STATE_EMPTY,BMS_STATE_ERROR
} BMS_State_t;// BMS数据结构
typedef struct {float voltage;              // 当前电压（V）float current;              // 当前电流（A）正为放电，负为充电float temperature;          // 当前温度（℃）float soc;                  // 剩余电量（%）float capacity_remaining;   // 剩余容量（mAh）uint32_t charge_cycles;     // 充电循环次数BMS_State_t state;          // 当前状态uint8_t error_code;         // 错误代码
} BMS_Data_t;// 函数声明
void BMS_Init(void);
void BMS_Update(void);
void BMS_SetInitialSOC(float soc);
float BMS_GetSOC(void);
float BMS_GetVoltage(void);
float BMS_GetCurrent(void);
BMS_State_t BMS_GetState(void);
void BMS_Calibrate(void);#endif

4.2 核心算法实现

// bms.c
#include "bms.h"
#include <math.h>// 全局变量
static BMS_Data_t bms_data;
static uint32_t last_update_time = 0;// OCV-SOC查找表（锂电池典型曲线）
typedef struct {float voltage;float soc;
} OCV_Point_t;static const OCV_Point_t ocv_table[] = {{4.20f, 100.0f},{4.15f, 95.0f},{4.11f, 90.0f},{4.08f, 85.0f},{4.02f, 80.0f},{3.98f, 75.0f},{3.95f, 70.0f},{3.91f, 65.0f},{3.87f, 60.0f},{3.85f, 55.0f},{3.84f, 50.0f},{3.82f, 45.0f},{3.80f, 40.0f},{3.79f, 35.0f},{3.77f, 30.0f},{3.74f, 25.0f},{3.68f, 20.0f},{3.62f, 15.0f},{3.55f, 10.0f},{3.46f, 5.0f},{3.00f, 0.0f}
};#define OCV_TABLE_SIZE (sizeof(ocv_table)/sizeof(OCV_Point_t))/*** @brief 线性插值函数*/
static float LinearInterpolate(float x, float x0, float y0, float x1, float y1) {if (x1 == x0) return y0;return y0 + (x - x0) * (y1 - y0) / (x1 - x0);
}/*** @brief 根据电压估算SOC（OCV法）*/
static float VoltageToSOC(float voltage) {// 边界处理if (voltage >= ocv_table[0].voltage) return 100.0f;if (voltage <= ocv_table[OCV_TABLE_SIZE-1].voltage) return 0.0f;// 查找表插值for (uint8_t i = 0; i < OCV_TABLE_SIZE - 1; i++) {if (voltage >= ocv_table[i+1].voltage && voltage <= ocv_table[i].voltage) {return LinearInterpolate(voltage, ocv_table[i+1].voltage, ocv_table[i+1].soc,ocv_table[i].voltage, ocv_table[i].soc);}}return 50.0f; // 默认值
}/*** @brief 读取ADC值并转换为物理量*/
static void BMS_ReadSensors(void) {uint16_t adc_voltage, adc_current, adc_temp;// 读取ADC值（这里需要根据实际硬件实现）adc_voltage = ADC_GetValue(ADC_CHANNEL_VOLTAGE);adc_current = ADC_GetValue(ADC_CHANNEL_CURRENT);adc_temp = ADC_GetValue(ADC_CHANNEL_TEMP);// 转换电压float adc_volt = (adc_voltage / ADC_RESOLUTION) * ADC_VREF;bms_data.voltage = adc_volt * VOLTAGE_DIVIDER_RATIO;// 转换电流（ACS712传感器）adc_volt = (adc_current / ADC_RESOLUTION) * ADC_VREF;bms_data.current = (adc_volt - CURRENT_SENSOR_OFFSET) / CURRENT_SENSOR_SENSITIVITY;// 转换温度（NTC热敏电阻，需要根据实际参数计算）// 这里简化处理bms_data.temperature = 25.0f; // 实际应用需要实现温度转换算法
}/*** @brief 库仑计算法更新SOC*/
static void BMS_UpdateSOC_Coulomb(float delta_time_sec) {// 计算电量变化（mAh）// 电流为正表示放电，为负表示充电float delta_capacity = (bms_data.current * 1000.0f) * (delta_time_sec / 3600.0f);// 更新剩余容量bms_data.capacity_remaining -= delta_capacity;// 边界限制if (bms_data.capacity_remaining > BATTERY_CAPACITY) {bms_data.capacity_remaining = BATTERY_CAPACITY;}if (bms_data.capacity_remaining < 0) {bms_data.capacity_remaining = 0;}// 计算SOC百分比bms_data.soc = (bms_data.capacity_remaining / BATTERY_CAPACITY) * 100.0f;
}/*** @brief SOC校准（使用OCV法）*/
static void BMS_CalibrateSOC(void) {// 当电流很小且电压稳定时，使用OCV法校准if (fabs(bms_data.current) < 0.05f) { // 电流小于50mAfloat ocv_soc = VoltageToSOC(bms_data.voltage);// 融合校准（可选：使用卡尔曼滤波等更复杂算法）// 这里采用简单的加权平均bms_data.soc = bms_data.soc * 0.9f + ocv_soc * 0.1f;bms_data.capacity_remaining = (bms_data.soc / 100.0f) * BATTERY_CAPACITY;}
}/*** @brief 更新BMS状态*/
static void BMS_UpdateState(void) {// 根据电流方向判断充放电状态if (bms_data.current > 0.1f) {bms_data.state = BMS_STATE_DISCHARGING;} else if (bms_data.current < -0.1f) {bms_data.state = BMS_STATE_CHARGING;} else {bms_data.state = BMS_STATE_IDLE;}// 判断满电和空电if (bms_data.soc >= 99.0f && bms_data.voltage >= BATTERY_MAX_VOLTAGE - 0.05f) {bms_data.state = BMS_STATE_FULL;} else if (bms_data.soc <= 1.0f || bms_data.voltage <= BATTERY_MIN_VOLTAGE) {bms_data.state = BMS_STATE_EMPTY;}// 错误检测if (bms_data.voltage > BATTERY_MAX_VOLTAGE + 0.2f || bms_data.voltage < BATTERY_MIN_VOLTAGE - 0.2f ||bms_data.temperature > 60.0f || bms_data.temperature < -20.0f) {bms_data.state = BMS_STATE_ERROR;bms_data.error_code = 1; // 定义具体错误代码}
}/*** @brief BMS初始化*/
void BMS_Init(void) {// 初始化硬件（ADC、定时器等）// ... 硬件初始化代码 ...// 初始化数据结构bms_data.voltage = 0.0f;bms_data.current = 0.0f;bms_data.temperature = 25.0f;bms_data.soc = 50.0f; // 初始SOC，实际应用需要从EEPROM读取bms_data.capacity_remaining = BATTERY_CAPACITY * 0.5f;bms_data.charge_cycles = 0;bms_data.state = BMS_STATE_IDLE;bms_data.error_code = 0;last_update_time = HAL_GetTick(); // 或使用其他时间函数
}/*** @brief BMS主循环更新函数（定时调用）*/
void BMS_Update(void) {uint32_t current_time = HAL_GetTick();float delta_time = (current_time - last_update_time) / 1000.0f; // 转换为秒if (delta_time < SAMPLE_PERIOD_SEC) {return; // 未到采样周期}// 读取传感器数据BMS_ReadSensors();// 库仑计法更新SOCBMS_UpdateSOC_Coulomb(delta_time);// SOC校准BMS_CalibrateSOC();// 更新状态BMS_UpdateState();last_update_time = current_time;
}/*** @brief 设置初始SOC*/
void BMS_SetInitialSOC(float soc) {if (soc < 0.0f) soc = 0.0f;if (soc > 100.0f) soc = 100.0f;bms_data.soc = soc;bms_data.capacity_remaining = (soc / 100.0f) * BATTERY_CAPACITY;
}/*** @brief 获取当前SOC*/
float BMS_GetSOC(void) {return bms_data.soc;
}/*** @brief 获取当前电压*/
float BMS_GetVoltage(void) {return bms_data.voltage;
}/*** @brief 获取当前电流*/
float BMS_GetCurrent(void) {return bms_data.current;
}/*** @brief 获取当前状态*/
BMS_State_t BMS_GetState(void) {return bms_data.state;
}/*** @brief BMS校准函数*/
void BMS_Calibrate(void) {// 执行校准流程// 1. 确保电池静置// 2. 读取OCV// 3. 更新SOCBMS_ReadSensors();float ocv_soc = VoltageToSOC(bms_data.voltage);BMS_SetInitialSOC(ocv_soc);
}

4.3 ADC配置代码

// adc.c - STM32 HAL库版本
#include "stm32f1xx_hal.h"ADC_HandleTypeDef hadc1;void ADC_Init(void) {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};// ADC1配置hadc1.Instance = ADC1;hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE;hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc1.Init.NbrOfConversion = 3;HAL_ADC_Init(&hadc1);// 配置电压通道sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);// 配置电流通道sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);// 配置温度通道sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2;sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_3;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}uint16_t ADC_GetValue(uint8_t channel) {ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};sConfig.Channel = channel;sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);HAL_ADC_Start(&hadc1);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);uint16_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);HAL_ADC_Stop(&hadc1);return value;
}

4.4 主程序示例

// main.c
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "bms.h"
#include <stdio.h>// UART用于调试输出
extern UART_HandleTypeDef huart1;void SystemClock_Config(void);
void Error_Handler(void);int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();// 初始化外设ADC_Init();// UART_Init();// TIM_Init();// 初始化BMSBMS_Init();// 从EEPROM读取上次保存的SOC（可选）// float saved_soc = EEPROM_ReadSOC();// BMS_SetInitialSOC(saved_soc);printf("BMS System Initialized\r\n");while (1) {// 更新BMS数据BMS_Update();// 获取并显示数据float soc = BMS_GetSOC();float voltage = BMS_GetVoltage();float current = BMS_GetCurrent();BMS_State_t state = BMS_GetState();// 串口输出（每秒一次）static uint32_t last_print = 0;if (HAL_GetTick() - last_print > 1000) {printf("SOC: %.1f%% | Voltage: %.2fV | Current: %.2fA | State: %d\r\n",soc, voltage, current, state);last_print = HAL_GetTick();}// 保存SOC到EEPROM（可选，定期或在关机前）// if (需要保存) {//     EEPROM_SaveSOC(soc);// }HAL_Delay(10);}
}

五、算法优化与精度提升

5.1 误差来源分析

  1. 电流测量误差：传感器精度、ADC精度、温度漂移
  2. 容量衰减：电池老化导致实际容量下降
  3. 温度影响：低温时可用容量降低
  4. 库仑效率：充放电效率不为100%
  5. 自放电：长期静置的电量损失

5.2 改进措施

5.2.1 温度补偿
// 温度补偿系数（简化模型）
static float GetTemperatureCompensation(float temperature) {if (temperature >= 20.0f) {return 1.0f;} else if (temperature >= 0.0f) {return 0.8f + (temperature / 20.0f) * 0.2f;} else {return 0.6f + (temperature / 20.0f) * 0.2f;}
}
5.2.2 库仑效率校正
#define CHARGE_EFFICIENCY 0.95f   // 充电效率
#define DISCHARGE_EFFICIENCY 1.0f // 放电效率// 在计算delta_capacity时应用效率
if (bms_data.current < 0) { // 充电delta_capacity = delta_capacity * CHARGE_EFFICIENCY;
}
5.2.3 容量衰减估算
// 基于充电循环次数估算容量衰减
static float GetCapacityFading(uint32_t cycles) {// 简化模型：每500次循环衰减5%float fading = 1.0f - (cycles / 500) * 0.05f;if (fading < 0.7f) fading = 0.7f; // 最多衰减30%return fading;
}

5.3 数据持久化

使用STM32内部Flash或外部EEPROM存储：

  • 当前SOC
  • 充电循环次数
  • 校准参数
  • 历史容量数据
// 使用内部Flash保存数据（需实现Flash读写函数）
void BMS_SaveData(void) {Flash_Erase(DATA_ADDRESS);Flash_Write(DATA_ADDRESS, &bms_data.soc, sizeof(float));Flash_Write(DATA_ADDRESS + 4, &bms_data.charge_cycles, sizeof(uint32_t));
}void BMS_LoadData(void) {Flash_Read(DATA_ADDRESS, &bms_data.soc, sizeof(float));Flash_Read(DATA_ADDRESS + 4, &bms_data.charge_cycles, sizeof(uint32_t));
}

六、测试与调试

6.1 测试方法

  1. 静态测试：使用标准电压源验证电压测量精度
  2. 动态测试：实际充放电测试，对比容量计算值与实际值
  3. 长期测试：连续运行数天，观察SOC漂移情况

6.2 调试技巧

  1. 使用串口输出实时数据，绘制电压、电流、SOC曲线
  2. 记录完整充放电周期的数据，分析误差规律
  3. 使用示波器观察ADC采样波形，排除干扰
  4. 对比OCV法和库仑计法的结果差异

七、实际应用注意事项

7.1 安全保护

  • 过充保护：电压超过4.2V时停止充电
  • 过放保护：电压低于3.0V时切断负载
  • 过流保护：电流超过额定值时报警
  • 温度保护：温度异常时停止充放电

7.2 电池配置

不同类型电池（锂离子、磷酸铁锂、三元锂等）的特性不同，需要：

  • 修改OCV-SOC查找表
  • 调整电压范围参数
  • 调整温度补偿系数

7.3 多节串并联

对于多节电池，需要：

  • 单体电压监测
  • 均衡管理
  • SOC取平均值或最低值

八、总结

本文详细介绍了基于STM32的电池管理系统中电量统计的实现方法，重点讲解了库仑计法的原理和代码实现。在实际应用中，需要根据具体的电池类型、应用场景和精度要求，选择合适的算法和优化策略。

关键要点：

  1. 库仑计法是最常用的动态SOC估算方法
  2. 需要结合OCV法进行定期校准
  3. 温度补偿和效率校正可提高精度
  4. 数据持久化确保系统断电后的连续性
  5. 安全保护是BMS的首要任务

通过本文的原理讲解和代码实现，读者可以快速搭建一个基本的BMS系统，并在此基础上进行功能扩展和性能优化。

参考资料

  1. STM32参考手册
  2. 锂电池数据手册
  3. 《电池管理系统设计与应用》
  4. IEC 62619 电池安全标准
http://www.dtcms.com/a/512604.html

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