基于MS9S12DG128单片机的电动汽车电池管理系统设计.doc

文章编号：1671-8496-(2012)03-0042-04基于 MS9S12DG128 单片机的电动汽车电池管理系统设计董铸荣 1,2，邱 浩 1，田超贺 2(1.深圳职业技术学院，广东深圳 518055；2.北京交通大学 机电控制工程学院，北京 100044)摘 要：根据动力电池组在电动汽车上的使用特点和要求，采用了带 MSCAN、且具有强大功能模块的嵌入式微处理器 MS9S12DG128，完成了电动汽车用电池管理系统的硬件设计，实现了对电压、电流、温度的实 时精确采集、SOC 的精确估计和 CAN 通讯。实验表明，本系统各方面性能优越。 关键词：电动汽车；电池管理系统；MS9S12DG128 单片机；CAN中图分类号：U469.72+2文献标识码：ABattery Management System Applied for EV Based on MS9S12DG128DONG Zhu-rong1,2，QIU Hao1，TIAN Chao-he2(1. Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, China; 2.School of Mechanical, Electronic andControl Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: According to the characteristics and requirements of the battery pack used in electric vehicles, the embed-ded microprocessor MS9S12DG128 with its MSCAN controller and the powerful functional modules is used. The hardware of battery management system is designed to realize the accurate real-time data samplings of voltages, cur- rent, temperature and CAN communication. The test shows that the performance of system is good.Key words: electric vehicles; battery management system; microprocessor MS9S12DG128; CAN在电池管理系统中，电池状态采集、电池剩余 容 量 的 预 测 (SOC)、 均 衡 保 护 等 功 能 必 不 可 少 ， 而 电 池 电 压 的 精 确 测 量 则 是 BMS 中 技 术 的 关键之一。在电池的充、放电过程中，电池的端 电 压 变 化 很 小 ， 电 池 在 线 充 、 放 电 时 电 压 波 动 ， 车内温度变化，车内外电磁干扰等都对电压测量 的精度和可靠性提出很高要求4。本 文 设 计 的 基 于 MS9S12DG128 电 动 汽 车 电 池管理系统用于自主研发的四轮独立驱动独立转 向 电 动 汽 车 中5， 较 好 地 解 决 了 高 可 靠 性 的 硬 件 数 据 采 集 ， 通 过 软 件 实 现 了 电 池 SOC 的 准 确 估 计，同时具备 CAN 通讯功能。1 引言电动汽车是全部或者部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，电池系统作为电动汽车的动 力系统在整个电动汽车的研究和发展中具有举足 轻 重 的 作 用 1。 电 动 汽 车 的 电 池 管 理 系 统 (BMS) 则 是 电 动 汽 车 必 不 可 少 的 重 要 组 成 部 分2， 如 何 有 效 管 理 和 监 控 电 池 是 电 动 汽 车 的 关 键 技 术 之 一。智能化的电池能量管理系统维持电动车所有 的蓄电池组件工作处于最佳状态；采集车辆各个 子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电 方式和提供剩余能量显示。智能化的电池能量管 理系统研究与开发必须开发以微处理器为核心的 电子控制单元3。2 方案设计收稿日期：2012-05-10作者简介：董铸荣(1975-)，男，副教授，博士研究生 研究方向：汽车检测、新能源汽车技术的教学与研究 基金项目：广东省自然科学基金“轮毂电机四轮独立驱动车辆的极限工况稳定性机理与控制系统研究”(项目编号：S2011010002534)第 3 期董铸荣，等：基于 MS9S12DG128 单片机的电动汽车电池管理系统设计43本 管 理 系 统 采 用 MC9S12DG128 作 为 主 控 芯片，是 Freescale 公司推出的 S12 系列微控制器中 的一款增强型 16 位控制器6。其集成度高，片内 资 源 丰 富 ， 接 口 模 块 包 括 SPI、 SCI、 I2C、 A/ D、PWM 等。它不仅在汽车电子、工业控制、中 高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且 在 FLASH 存 储 控 制 及 加 密 方 面 也 有 很 强 的 功 能 。 MC9S12DG128 微 控 制 器 片 内 总 线 时 钟 频 率 最 高 可 达 25MHz， 片 内 资 源 包 括 8 KB RAM、128 KB Flash、 2 KB EEPROM， 3 个 1 Mbps 的 CAN 模 块 、 1 个 I2C 总 线 模 块 、 2 个 SCI 和 SPI 模 块，1 个 8 通道增型捕获定时器、2 个 8 通道 10 位 AD 模块、8 个 8 通道 PWM 模块、最多可止 63 个 I/O 接口。本文设计的电池管理系统采集各个电池单体 的 基 本 信 息 到 BMS 控 制 芯 片 (MC9S12DG128) 中 进行分析、计算、处理，得到电池工作状态、剩 余 电 量 等 信 息 ， 同 时 设 计 了 CAN 总 线 通 讯 ， 与 其它车载系统形成完整的整车控制。图 1 为本系 统总体方案设计结构框图。池 或 整 车 安 全 事 故 。 可 擦 除 可 编 程 只 读 存 储 器EEPROM 用于记录每次的充放电数据，在电池整 个生命周期内可以对电池状态进行分析。图 2 系统硬件设计3.1 电源模块整 车 为 BMS 提 供 的 电 压 是 12 V， 管 理 系 统 需 要 的 电 压 有 单 片 机 及 驱 动 芯 片 需 要 的 5 V 和9V； 运 放 及 电 流 传 感 器 需 要 的 15 V。 采 用 DC/ DC 模块将 12 V 电压转成 5、9、15 V。3.2 电池组电压采集模块Frescale16 位 系 列 芯 片 集 成 10 位 的 A/D 转 换 模块，满足整车的采样精度要求。A/D 采样电路 包括电压采样、电流采样与温度采样。系统用模 拟 控 制 光 耦 阵 列 开 关 ， 实 现 模 块 电 压 巡 检 采 样 ， 主模块中直接对总电压周期采样；采用霍尔传感 器实现电流采样；采用热敏电阻实现温度采样。DG128 通 过 I/O 向 模 拟 多 路 开 关 发 出 控 制 信 号，控制光电开关固态继电器分时导通；被选中 的模块电压信号再经过线性隔离放大和低通滤波 预处理，最后进入 DG128 的 A/D 转换模块。模拟 多路开关控制隔离滤波电路如图 3 所示。图 1 系统总体方案设计3 硬件设计前面所述自主研发的四轮独立驱动独立转向电 动 汽 车 使 用 单 体 电 压 为 3.2 V 的 磷 酸 铁 锂 电 池，共 24 块。如图 2 所示，BMS 系统分别对单体 电池的电压、电池组的电压、单体电池温度、串 联电池组的工作电流进行采样。本系统共有 18 路 电压采样通道，通过模拟多路开关分时选择不同 单体的电压输入单片机。电流与电压通过采样保 持电路保证采样到的是一个单体同一时刻的电压 和电流，这样便于检测出同一时刻电池信息。电 池温度信号采样使用热敏电阻，电池温度数据主 要 用 于 判 断 电 池 安 全 。 所 有 这 些 电 池 信 号 进 入 MS9S12DG128 后 进 行 数 据 的 分 析 、 计 算 ， 并 作 相应的控制和液晶显示。安全开关负责在发生严 重电池问题时，断开电池组和负载，避免发生电图 3 单体电压采集电路如图 4 所示，设电池总电压为 U，电阻 R2 两 端的电压为 U2，当求得 R2 两端的电压 U2，即可 反 求 U。 为 了 提 高 U2 的 采 样 精 度 ， 抑 制 高 频 干 扰，在 R2 两端增加由电阻 R3 和电容 C1 组成的低 通 滤 波 器 ， 再 经 光 耦 AQW214 隔 离 后 ， 将 U2 传 给 线 性 光 电 隔 离 放 大 环 节 ISO124， 最 终 传 给 DG128 的 A/D，经处理，可求得 U。电源管理安全管理电池组温度采集单元显示电池组电流采集单元数据存储电池组电压采集单元电 池 管 理 系 统 中心控制器 MC9S12DG128CAN 通讯单元44广 东 交 通 职 业技 术 学 院 学 报第 11 卷实 验 数 据 ， 建 立 了 锂 电 池 的 ANFIA 电 压 降 模型，并进一步应用改进后的尺度化共轭梯度算法 的 BP 神 经 网 络 ， 得 到 开 路 电 压 与 剩 余 容 量 的 对 应 关 系8。 同 时 考 虑 了 充 放 电 倍 率 、 温 度 、 自 放 电、循环寿命、停机前的状态信息、停机时间等 对 SOC 的影响。如图 6 所示，系统初始化工作完成后，软件 以 模/数 减 法 计 数 器 的 下 溢 中 断 来 确 定 系 统 的 执 行 周 期 ， 计 数 周 期 为 5 ms。 在 模/数 计 数 器 前 一 次下溢中断程序中，选择电压采集通道，并查询 整 车 CAN 接 收 ； 经 5 ms 在 本 次 下 溢 中 断 到 来 后，中断服务程序进行 A/D 转换的启动，转换完 成进入 A/D 中断，开启其他任务的执行，如此循 环交替进行。根据整车控制策略，CAN 上的电池 状 态 数 据 每 帧 的 刷 新 周 期 为 10 ms， 因 此 设 置 下 溢中断的时钟节拍为 5 ms，相应地，以上所有任 务的执行周期均为 10 ms。图 4 总电压采集电路3.3 CAN 通信模块CAN 通信是整车 ECU 与 BMS 之间的信息桥 梁。系统计算采集到的单体电压、总体电压、电 流值和温度值，根据车辆运行情况进行均衡；系 统将电池参数发送给整车，整车控制器通过判断 决策能量分配。Freescale9S12 系列单片机已经集 成 CAN 模 块 MSCAN， 外 扩 引 脚 CANTX 和 CANRX。 还 需 要 PCA82C250 作 为 驱 动 芯 片 7， 如图 5 所示。图 6 主控制模块软件时序4.2 子控制模块子模块的任务主要有：A/D 转换与数据处理 任 务 、 内 部 CAN 接 收 任 务 、 内 部 CAN 发 送 任 务 、 以 及 均 衡 执 行 任 务 。 中 断 有 ： A/D 采 集 中 断、定时器下溢中断。如图 7 所示，软件以模/数减法计数器的下溢 中 断 来 确 定 系 统 的 执 行 周 期 ， 计 数 周 期 为 2.5 ms。 在 模/数 计 数 器 前 一 次 下 溢 中 断 程 序 中 ， 选 择电压采集通道，并查询内部 CAN 接收；经 2.5 ms 在 本 次 下 溢 中 断 到 来 后 ， 中 断 服 务 程 序 进 行 A/D 转换的启动，转换完成进入 A/D 中断，开启 其他任务的执行，如此循环交替进行。其中，根 据 协 议 ， 内 部 CAN 发 送 任 务 为 保 证 周 期 为 10 ms，要间隔一次 A/D 转换后才启动，其他任务执 行周期则为 5 ms。图 5 CAN 通信接口电路3.4 其它模块其它模块如电池组电流采集、电池组温度采 集、均衡模块等，限于篇幅，细节这里不赘述。4 软件设计电 池 管 理 系 统 软 件 以 CodeWarrior for HCS12V4.7 为开发环境，采用 C 语言编写，包括了主控 制模块和子模块两个部分的软件设计。4.1 主控制模块主控制模块的任务主要有：A/D 转换与数据 处 理 任 务 、 整 车 CAN 接 收 任 务 、 整 车 CAN 发 送 任务、系统监控任务、SOC 与能量估算任务以及 均衡处理任务。中断有：A/D 采集中断、定时器 下 溢 中 断 、 CAN 接 收 中 断 。 在 SOC 的 估 算 方 法 上 ， 在 分 析 了 自 适 应 模 糊 神 经 智 能 算 法 (ANFIA) 的网络结构的基础上，利用深圳职业技术学院自 主研发的四轮独立驱动原地转向电动汽车充放电5 实验结果与分析为获取较高的采样精度和采样稳定性，本文设计的系统在软、硬件上都作了专门的抗干扰与第 3 期董铸荣，等：基于 MS9S12DG128 单片机的电动汽车电池管理系统设计45图 7 子控制模块软件时序滤波处理。为验证采样系统的可靠性，对电池组进 行 变 电 流 充/放 电 实 验 。 对 比 电 流 的 采 样 数 据 和充电机记录的数据，如图 8 所示，采样电流值 和充电机实际电流值吻合度较高，最大误差只有0.2 A，精度为 0.2 %。程 如 图 9 所 示 。 整 个 循 环 工 况 过 程 中 ， 估 算 的SOC 从 93.8 %下降至 86.2 %，与实际测得的 SOC的最大误差在 3%。6 结语本文通过在电动汽车上的实际应用，整个动力电池组管理系统表现出了良好的稳定性和精确 性 ， 电 池 信 息 检 测 电 路 能 够 准 确 实 现 电 池 电 压 、 电流、温度的测量，预测出的电池剩余电量也与 电 池 组 的 实 际 状 态 较 为 符 合 ， 并 且 利 用 CAN 总 线通讯可与其它车载系统完成数据交换功能。由 此表明，本文所述的电动汽车用电池管理系统满 足了设计和使用要求，有着较强的实用性。图 8 采样电流与充电机电流40 Ah 的 磷 酸 铁 锂 动 力 电 池 组 ， 额 定 电 压 为72 V， 初 始 SOC 为 93.8 % ， 环 境 温 度 为 28 。 按 照 UDDS(urban dynamometer driving schedule) 循环工况进行充/放电试验，模拟整车以 UDDS 工 况行驶时电池组的响应。SOC 估算随时间变化历参考文献：1 于良杰，乔 昕，张许峰，等电池管理系统在电动 汽车中的应用J山东科学，2010，23(3): 87-91.2 胡 林 ， 谷 正 气 ， 黄 晶 ， 颜 运 昌 电 动 汽 车 的 关 键 技术分析J机械制造，2005，43(10): 45-473 钱立军，赵 韩，高立新电动汽车开发的关键技术 及 技 术 路 线 J 合 肥 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)2002，25(01): 14-184 李成学，杨大柱电动汽车蓄电池组电池管理及其状 态检测J电源技术. 2010，34(1): 80-83.5 Hao Qiu, Zhengbao LEI, Tom Ziming Qi A Novel De- sign of an Electric Vehicle with Lateral Moving and In Si- tu SteeringCThe 2nd International conference on Me-chanicAutomationandControl Engineer-ing(MACE2011), Volume 9(Paper number: M93338),7138-7141,July 15-17, 2011, Mongolia, China, IEEE Cat-alogNumber:CFP1143K-PRT，ISBN:number:978-1-4244-9437-8.20114314454763)(EIAccessiont/s(下转第 49 页)图 9 电池组 SOC 估算曲线SOC/%第 3 期冯 建，等：多功能单片机实训装置的研制49图 4 KEIL 与硬实训装置联合调试图 5 18B20 与 LCD1602 仿真图参考文献：1 吴晶，卢晓春，等具有自主知识产权的高职轮机自 动化实训系统建设J中国水运，2011，9(1)：66.2 百度文库LM2576-5.0 原理分析实例设计及总结./View/fd5989212f60ddccda38a00e. 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