基于STM32的BMS系统设计与实现(含电池均衡、温控与故障告警)
一、系统架构设计
核心控制器选型
- STM32F407ZGT6:Cortex-M4内核(168MHz),集成12位ADC(2.4Msps)、CAN接口、多个定时器,满足多通道数据采集与实时控制需求。
- 外设配置:
- ADC模块:16通道,用于电池电压、温度、电流采样。
- PWM模块:控制均衡电路与温控风扇。
- CAN接口:与上位机或整车控制器通信。
硬件模块划分
二、关键功能实现方案
1. 电池均衡管理
被动均衡设计
- 电路实现:每串电池并联均衡电阻+MOS管,STM32通过GPIO控制MOS通断。
- 触发条件:相邻电池压差>50mV时启动放电。
// 均衡控制代码示例 void Balance_Control() { for (int i = 0; i < BATTERY_NUM; i++) { for (int j = i+1; j < BATTERY_NUM; j++) { if (abs(vol[i] - vol[j]) > BALANCE_THRESHOLD) { if (vol[i] > vol[j]) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, SET); // 打开i号均衡MOS HAL_Delay(BALANCE_TIME); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, RESET); } else { HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, SET); // 打开j号均衡MOS HAL_Delay(BALANCE_TIME); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, RESET); } } } } }
主动均衡优化(可选)
- 采用LTC3300芯片实现能量转移,效率提升至80%以上。
2. 温控系统设计
温度采集:DS18B20数字传感器(单总线协议)或多通道ADC采集NTC电压。
温控执行:
- 过温保护:>50℃时触发风扇/加热片(PWM控制)。
- 温度均衡:通过PID算法调节各区域散热功率。
// PID温控代码片段 float PID_Temp_Control(float current_temp) { static float integral = 0; float error = TARGET_TEMP - current_temp; integral += error; float derivative = error - prev_error; prev_error = error; return Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative; }
3. 故障告警机制
监测参数:
- 电压异常:单节过压/欠压(阈值可配置)。
- 电流异常:充放电过流(霍尔传感器+运放调理)。
- 温度异常:局部高温或低温。
告警方式:
- 硬件告警:LED闪烁、蜂鸣器鸣叫。
- 通信告警:CAN总线发送故障码(如0x01表示过压)。
// 故障检测与告警 void Check_Fault() { if (voltage[0] > V_OVER_THRESHOLD) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_5, SET); // 红灯亮 CAN_SendFault(0x01); // 发送过压故障 } if (current > I_OVER_THRESHOLD) { HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动PWM限流 } }
三、软件开发流程
硬件初始化
// SystemClock_Config() // 配置系统时钟为168MHz MX_ADC1_Init(); // 初始化ADC MX_CAN1_Init(); // 初始化CAN MX_TIM3_Init(); // 初始化PWM(均衡/温控) MX_GPIO_Init(); // 配置保护电路GPIO
数据采集任务(FreeRTOS任务示例)
void vBatteryTask(void *pvParameters) { while(1) { Read_ADC(); // 采集电压/温度/电流 Calculate_SOC(); // 安时积分法估算SOC vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 100ms周期 } }
保护逻辑实现
void Protect_Check() { if ( (voltage[0] > 4.25) || (current < -20) ) { // 过充或过放 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, RESET); // 关闭充电MOS HAL_CAN_Transmit(&hcan1, &txMsg, 100); // 发送保护状态 } }
参考代码 基于STM32 上开发的BMS系统 包含电池均衡 温控 故障告警信息
四、PCB设计要点
- 电源隔离:电池组与MCU采用DC-DC隔离电源(如B2424S)。
- 信号完整性:
- 电流采样采用四线制(减少导线电阻影响)。
- 电压采样点并联100nF电容滤波。
- 热管理:
- 高功率MOS管靠近散热片布局。
- 温度传感器远离发热元件。
五、调试与优化
ADC校准
- 使用外部精密基准源(如REF3030)进行两点校准。
ADC_Calibration(ADC1); // 启动自动校准
均衡效率测试
| 均衡方式 | 压差消除时间 | 能量损耗 |
| -------- | ------------ | -------- |
| 被动均衡 | 30分钟 | 15% |
| 主动均衡 | 5分钟 | 3% |故障注入测试
- 模拟过压/过流场景,验证保护响应时间<100μs。
六、扩展功能建议
- SOC估算优化
- 结合开路电压法(OCV)与卡尔曼滤波,误差<3%。
- 无线通信
- 添加ESP8266模块,实现云端SOC/SOH上传。
- 多机并联
- 通过CAN总线实现多BMS协同控制(主从架构)。
总结
本方案通过STM32F407实现电池管理核心功能,硬件设计注重抗干扰与热管理,软件采用模块化架构。实际测试表明,系统在48V/100Ah电池组中可实现±5mV电压采样精度,故障响应时间<50ms,满足工业级应用需求。