一、STM32 电池管理系统（BMS）概述
电池管理系统（BMS）在现代电池应用中起着至关重要的作用，特别是在电动汽车、储能系统和便携式电子设备等领域。它的主要功能包括电池状态监测（如电压、电流、温度）、电池保护（过充、过放、过流、过温保护）、电池均衡以及电池状态估计（如剩余电量 SOC 和健康状态 SOH）等。STM32 微控制器由于其丰富的外设、高性能和低功耗特性，非常适合作为 BMS 的核心控制器。
二、BMS 的主要功能模块及实现思路
电池电压监测：
使用 STM32 的 ADC（模拟数字转换器）来测量电池的电压。可以通过分压电路将电池的高电压转换为 STM32 的 ADC 可测量的范围（通常为 0 - 3.3V 或 0 - 5V）。
选择合适的 ADC 通道，配置 ADC 的采样时间、分辨率和转换模式，通过软件触发或定时器触发进行电压测量。
电池电流监测：
一般通过霍尔效应传感器或分流电阻配合运算放大器将电池的电流转换为电压信号，再使用 ADC 进行测量。
对于霍尔效应传感器，其输出是与电流成正比的电压信号，需要进行校准；对于分流电阻，根据欧姆定律 V = I × R V = I\times RV=I×R 计算电流。
电池温度监测：
使用温度传感器（如 NTC 热敏电阻），通过分压电路将其电阻变化转换为电压信号，再由 ADC 测量。
根据 NTC 的电阻 - 温度特性曲线将测量到的电压转换为温度值。
电池保护功能：
当监测到电池电压超出安全范围（过充或过放）、电流过大（过流）或温度过高（过温）时，通过 STM32 的 GPIO 控制保护电路（如继电器或开关管）切断电池的充放电回路。
可以设置相应的阈值，并在程序中不断检查这些参数是否超过阈值。
电池均衡功能：
在多节电池串联的情况下，由于电池的差异性，可能会出现某些电池充放电不均衡的现象。可以使用被动均衡（通过电阻放电）或主动均衡（使用 DC-DC 转换器转移能量）。
对于被动均衡，通过 STM32 的 GPIO 控制均衡电阻的通断，对电压较高的电池进行放电；对于主动均衡，使用 SPI 或 I2C 控制 DC-DC 转换器。
电池状态估计：
SOC（State of Charge）可以通过安时积分法、开路电压法或卡尔曼滤波等方法估算。安时积分法需要精确测量电流并积分；开路电压法基于电池的开路电压与 SOC 的关系；卡尔曼滤波结合多种信息进行更精确的估计。
SOH（State of Health）可以根据电池的老化特性，如内阻变化、容量衰减等进行评估，通常需要长期的数据积累和分析。
三、代码示例（使用 STM32 Standard Peripheral Library）
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
// 函数声明
void ADC_Configuration(void);
void GPIO_Configuration(void);
uint16_t ADC_ReadChannel(uint8_t channel);
void BatteryVoltageMonitor(void);
void BatteryCurrentMonitor(void);
void BatteryTemperatureMonitor(void);
// 主函数
int main(void)
{
// 系统初始化
SystemInit();
GPIO_Configuration();
ADC_Configuration();
while (1)
{
// 电池监测
BatteryVoltageMonitor();
BatteryCurrentMonitor();
BatteryTemperatureMonitor();
// 可以添加其他功能，如电池保护、均衡、状态估计等
// 延时一段时间，可使用 SysTick 或定时器中断
for (int i = 0; i < 1000000; i++);
}
}
// GPIO 配置函数
void GPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 使能相关 GPIO 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
// 例如，如果使用 GPIO 控制保护电路
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; // 假设使用 PA0 控制保护电路
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}
// ADC 配置函数
void ADC_Configuration(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 使能 ADC 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
// ADC 配置
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
// 配置 ADC 通道和采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
// 使能 ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
}
// 读取 ADC 通道值
uint16_t ADC_ReadChannel(uint8_t channel)
{
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}
// 电池电压监测
void BatteryVoltageMonitor(void)
{
uint16_t adcValue = ADC_ReadChannel(ADC_Channel_0); // 假设使用 ADC_Channel_0 测量电压
float voltage = (float)adcValue * 3.3 / 4095 * 2; // 假设分压比为 2
printf("Battery Voltage: %.2f V\n", voltage);
}
// 电池电流监测
void BatteryCurrentMonitor(void)
{
uint16_t adcValue = ADC_ReadChannel(ADC_Channel_1); // 假设使用 ADC_Channel_1 测量电流
float current = (float)adcValue * 3.3 / 4095 * 10; // 假设电流转换系数为 10 A/V
printf("Battery Current: %.2f A\n", current);
}
// 电池温度监测
void BatteryTemperatureMonitor(void)
{
uint16_t adcValue = ADC_ReadChannel(ADC_Channel_2); // 假设使用 ADC_Channel_2 测量温度
float temperature = (float)adcValue * 3.3 / 4095 * 100; // 假设温度转换系数为 100 °C/V
printf("Battery Temperature: %.2f °C\n", temperature);
}
代码解释：
GPIO_Configuration 函数：
使能 GPIOA 的时钟，配置 PA0 为推挽输出模式，可用于控制保护电路。
ADC_Configuration 函数：
使能 ADC1 的时钟，设置 ADC 的模式为独立模式，单次转换，无外部触发，数据右对齐，只进行一次转换。
配置 ADC 通道 0 的采样时间。
ADC_ReadChannel 函数：
配置要读取的 ADC 通道，启动软件转换，等待转换完成，然后返回转换结果。
BatteryVoltageMonitor 函数：
使用 ADC_ReadChannel 函数读取 ADC 通道 0 的值，假设通过分压电路将电池电压分压，根据分压比和 ADC 参考电压计算实际电压。
BatteryCurrentMonitor 函数：
读取 ADC 通道 1 的值，根据电流转换系数将 ADC 测量的电压转换为实际电流。
BatteryTemperatureMonitor 函数：
读取 ADC 通道 2 的值，根据温度转换系数将 ADC 测量的电压转换为实际温度。
四、电池保护功能代码示例
// 电池保护函数
void BatteryProtection(void)
{
float voltage = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_0) * 3.3 / 4095 * 2; // 假设分压比为 2
float current = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_1) * 3.3 / 4095 * 10; // 假设电流转换系数为 10 A/V
float temperature = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_2) * 3.3 / 4095 * 100; // 假设温度转换系数为 100 °C/V
if (voltage > 4.2) // 过充保护，假设锂电池满电电压为 4.2V
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 切断充放电回路
}
else if (voltage < 3.0) // 过放保护，假设锂电池最低电压为 3.0V
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 切断充放电回路
}
else if (current > 2.0) // 过流保护，假设最大允许电流为 2.0A
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 切断充放电回路
}
else if (temperature > 60) // 过温保护，假设最高允许温度为 60°C
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 切断充放电回路
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 恢复正常
}
}
代码解释：
该函数首先读取电池的电压、电流和温度，然后检查这些参数是否超过设定的阈值。
如果超过阈值，将 PA0 置高，切断充放电回路；如果未超过，将 PA0 置低，恢复正常。
五、电池均衡功能示例（被动均衡）
// 函数声明
void GPIO_ConfigurationForBalancing(void);
void BatteryEqualization(void);
// 配置 GPIO 用于电池均衡
void GPIO_ConfigurationForBalancing(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 使能相关 GPIO 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
// 假设使用 GPIOB 的引脚控制均衡电阻
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2; // 假设控制三个电池的均衡电阻
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
// 电池均衡函数（被动均衡）
void BatteryEqualization(void)
{
float voltages[3] = {0};
voltages[0] = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_3) * 3.3 / 4095 * 2; // 电池 1 电压
voltages[1] = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_4) * 3.3 / 4095 * 2; // 电池 2 电压
voltages[2] = (float)ADC_ReadChannel(ADC_Channel_5) * 3.3 / 4095 * 2; // 电池 3 电压
float maxVoltage = voltages[0];
for (int i = 1; i < 3; i++)
{
if (voltages[i] > maxVoltage)
{
maxVoltage = voltages[i];
}
}
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
if (voltages[i] >= maxVoltage - 0.05) // 假设允许的电压差为 50mV
{
GPIO_SetBits(GPIOB, 1 << i); // 打开均衡电阻
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, 1 << i); // 关闭均衡电阻
}
}
}
代码解释：
GPIO_ConfigurationForBalancing 函数使能 GPIOB 的时钟并配置用于控制均衡电阻的引脚。
BatteryEqualization 函数：
读取三个电池的电压。
找出最大电压。
对于电压高于最大电压 - 50mV 的电池，打开相应的均衡电阻进行放电。
六、总结
基于 STM32 的电池管理系统可以有效地实现对电池的监测、保护和均衡等功能。上述代码示例展示了基本的实现思路，包括使用 ADC 测量电池参数，通过 GPIO 控制保护电路和均衡电路。在实际应用中，还需要考虑更多复杂的情况，如提高测量精度、采用更精确的状态估计方法、处理多个电池的串联和并联等。同时，可以根据不同的 STM32 系列和开发环境，使用相应的库函数（如 HAL 库或 LL 库）进行开发，并且可以添加中断处理、通信接口（如 UART、CAN 等）将 BMS 的信息发送给其他设备，实现更高级的功能。此外，还需要对代码进行优化，确保系统的实时性、可靠性和稳定性。
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原文链接：https://blog.csdn.net/duierrorshuobu/article/details/145291367
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