基于MS9S12XET256MAL單片機的電動汽車電池管理系統(tǒng)設計*

邱 浩，董鑄榮，韓承偉，梁松峰

（深圳職業(yè)技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055）

如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動汽車的關鍵技術之一，因此電動汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車必不可少的重要組成部分[1]．電池管理系統(tǒng)就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控并根據(jù)電池的狀態(tài)做出相應處理．

純電動汽車作為一種新型動力汽車，具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點．純電動車上配有高壓電池箱，而為了在翻車、碰撞或電池發(fā)生故障等關鍵時候可切斷電池充放電回路，每臺純電動車都配備BMS（電池管理系統(tǒng)），一般在出現(xiàn)事故或電池出現(xiàn)損壞的情況下，BMS控制繼電器切斷，使電池箱電流輸出為零，確保司乘人員的人生安全．

本文設計的基于MS9S12XET256MAL電動汽車電池管理系統(tǒng)用于深圳職業(yè)技術學院自行研制的四輪獨立驅動獨立轉向電動汽車中[2]，較好地解決了高可靠性的硬件數(shù)據(jù)采集及通訊，通過軟件實現(xiàn)了電池SOC的準確估計，提升了整車的安全性能．

1 動力電池管理系統(tǒng)方案設計

本管理系統(tǒng)采用MS9S12XET256MAL作為主控芯片，是Freescale公司于2005年推出HCS12X系列單片機[3]，是HCS12系列的增強型產品，基于S12CPU內核．MC9S12XET256MAL的總線頻率最高可達40 MHz，內部具有256K的FLASH，4K的EEPROM，16K的RAM，具有112個引腳，其中91個可作為通用I/O引腳，用來控制開光量的輸入與輸出以及驅動繼電器用以控制外圍設備．5個MSCAN模塊，其中CAN0作為內部通訊CAN，與采集板，高壓板進行通訊．1個I2C總線模塊，與時鐘芯片相連接．3個串行外設端口SPI，其中，SPI0控制外設鐵電存儲器．采用外接一個4M晶振的皮爾茲振蕩電路．

本文的電池管理系統(tǒng)設計了CAN總線與其它車載系統(tǒng)進行通信，各個電池單體的基本信息，例如電池剩余電量和電池工作狀態(tài)等信息，由BMS控制芯片（MS9S12XET256MAL）采集后處理計算得到．圖1為本系統(tǒng)總體方案設計結構框圖．

圖1 系統(tǒng)總體方案設計圖

2 硬件設計

電動汽車使用單體電壓為3.2V的磷酸鐵鋰電池，共24塊．硬件電路主要由BCU，BHU，BMU模塊組成．BMS系統(tǒng)分別對串聯(lián)電池組的工作電流、單體電池的溫度和電壓進行采樣．本系統(tǒng)共有24路電壓采樣通道，通過汽車級專用電壓采集芯片LTC 6803-4來采集單體電壓．電流采集使用高精度分流器或霍爾傳感器，電池溫度信號采樣使用數(shù)字溫度傳感器．MS9S12XET256 MAL分析計算這些電池參數(shù)后，根據(jù)控制策略作相應的控制和顯示．繼電器是BMS一個重要的控制．當電池出現(xiàn)問題時（如過壓、過流、超溫等），繼電器斷開，從而負載與電池組斷開，保證了電池與整車的安全．

2.1 BCU硬件系統(tǒng)

2.1.1 BCU硬件系統(tǒng)框圖

主控板BCU（Battery Control Unit）主要作用為：收集BHU與BMU采集到的各項數(shù)據(jù)，上傳至車載儀表盤或外接筆記本，判斷各項數(shù)據(jù)是否報警越線，從而控制繼電器的切斷（閉合）動作．其電路可主要分為以下部分：MCU控制，電源電路，外設存儲器，硬件看門狗，系統(tǒng)時鐘，開光量輸入/輸出，驅動繼電器，CAN通訊等，如圖2所示．

圖2 BCU硬件方案設計圖

電源電路為MCU（Micro Control Unit）及其它電路提供正常工作電壓，外設存儲器實時保存MCU處理的數(shù)據(jù)參數(shù)，系統(tǒng)時鐘提供準確的時間參照，MCU對CAN通訊中的數(shù)據(jù)進行處理，從而通過驅動繼電器以及開光量來保護電池組及其控制相應的外圍設備，硬件看門狗用來防止程序因意外“跑飛”，保證系統(tǒng)的正常工作．

2.1.2 電源電路

外部為 DC12V供電輸入，前端采用防雷器件保護電源并做了電源防反接處理，經過DC-DC電源模塊 XZR05/12S05為內部整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，如圖3所示．

圖3 電源電路圖

2.1.3 復位電路

看門狗MAX706PESA外接5V電源，由處理器的PH7口控制WDI口進行“喂狗”，一旦程序“跑飛”，則 MAX706PESA給予處理器RESET端口一個有效低電平，從而使處理器重新復位，電路連接如圖4所示．

2.1.4 時鐘模塊

SD2405ALP時鐘芯片工作電壓為3.3~5.5V，其中的SCL，SDA引腳通過10K的上拉電阻與處理器的PJ7、PJ6引腳相連接．處理器通過提供單向時鐘信號控制時鐘芯片，并進行串行數(shù)據(jù)輸入輸出．

圖4 復位電路圖

2.1.5 存儲模塊

外接AS1117-3.3V三端穩(wěn)壓器給非易失性鐵電存儲器FM25V05提供3.3V電源，F(xiàn)M25V05具有512Kbit的存儲容量，讀寫次數(shù)達到 100萬億次，掉電數(shù)據(jù)可保持10年，采用SPI接口與處理器相連接，并將寫保護口WR與HOLD拉高以進行數(shù)據(jù)的讀寫操作．

2.1.6 CAN通訊

采用3路CAN通訊，其中CAN0作為內部通訊CAN，進行與采集板、高壓板的通訊．通過5V供電芯片PCA82C250T進行數(shù)據(jù)的收發(fā)[4]，為保護其他電路的正常工作，對CAN通訊進行光耦隔離，光耦隔離芯片6N137可達1Mbit/s的轉換速率．

2.1.7 開關量輸入/輸出及其驅動繼電器

采用達林頓管 ULN2003A驅動內部 6路OMRON繼電器G5V-1A，從而具有DC24V、1A的帶載能力．開關量輸入/輸出采用光耦 TLP521-4，其中4路12V高電平有效輸入，4路低電平有效輸入．其具體電路連接，如圖5所示．

圖5 開關量輸入/輸出電路圖

2.2 BHU硬件系統(tǒng)

2.2.1 BHU硬件系統(tǒng)框圖

高壓板BHU（Battery High Voltage Unit）主要作用為：采集充放電電流以及絕緣電阻，將采集數(shù)據(jù)上傳至主控模塊BCU，主控模塊BCU通過測得充放電電流數(shù)據(jù)判斷電動車是否處于過流狀態(tài)(絕緣報警狀態(tài))，實現(xiàn)保護功能．其電路可主要分為以下部分：MCU控制，電源電路，外設存儲器，硬件看門狗，電流，絕緣電阻，CAN通訊等，它們的關系如圖6所示．BHU系統(tǒng)的電源電路、復位電路和CAN通訊模塊都與前相同．

圖6 BHU硬件方案設計圖

2.2.2 A/D模塊

采用 ADI公司的 ADC芯片 AD976CN，AD976CN是一個+5V單電源供電的高速、低功耗 16位逐次逼近式 A/D轉換器，轉換速度為100kSPS，功耗為 100mW，±10V 的量程．AD976CN的集成性好，內部包含2.5V參考電壓源、高速并行接口和時鐘．

為了使輸入信號更加平穩(wěn)，在AD前端加入二階有源濾波電路進行有源濾波處理．具體電路連接如圖7所示．

圖7 AD前端濾波電路

電流采集方式采用兩種方式：霍爾傳感器或分流器，設置一個2選1開關，如圖7中的J301所示．

1）霍爾電流采集：采用雙極性±12V，電源,輸出最大5V的開環(huán)霍爾電流傳感器采集充放電電流，選通后，經過濾波處理進入AD976CN．

2）采用分流器采集信號，分流器參數(shù)為300A，75mV，經過濾波后放大51倍，選通后，經過濾波處理進入AD976CN．

2.3 BMU硬件設計

2.3.1 BMU硬件系統(tǒng)框圖

BMU主要是對電池包的單體電壓測量、溫度檢測、電池均衡以及與主控板之間的通訊．從機BMU把監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過CAN通訊把數(shù)據(jù)上傳到主控板BCU，BCU分析數(shù)據(jù)后再對BMU進行控制，以保護電池包，避免電池過充、過放、溫度過高、溫度過低等．其電路主要包括幾個部分：電源、MCU模塊、通訊模塊、采集模塊、均衡模塊，模塊之間的連接關系如圖8所示．

2.3.2 電源電路

圖9電路主要用于系統(tǒng)前端供電部分的保護濾波，其功能主要是：防雷，防浪涌，防反接，還有濾波，過流保護的功能．壓敏電阻、放電管、瞬態(tài)抑制二極管組成了防雷，防浪涌電路；二極管1N4007起反接保護的作用；扼流圈和電容組成濾波電路；可恢復保險JK60-160起過流保護作用．

2.3.3 采集模塊

圖10所示電路的功能是進行電壓采集、均衡控制以及進行SPI通信電路的靜電保護．CM1223-04SO主要是消除SPI通信電路的靜電；LTC6803-4主要是進行電壓采集和均衡控制，LTC6803-4的具體功能可查看LTC6803-4數(shù)據(jù)手冊．

圖11電路的功能是對SPI與MCU進行隔離通訊．這樣MCU就不受電池組以及6803的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力．Si8441AB-C-IS的具體功能查看其數(shù)據(jù)手冊．

圖8 BMU硬件方案設計圖

圖9 系統(tǒng)前端供電部分

圖10 6803配置電路

圖11 6803與SPI隔離通訊電路

圖12電路的功能是對電池均衡．R3061是均衡負載，MOS管受6803來控制是否要進行均衡．當Sn為低電平時，打開均衡，Sn為高電平時，系統(tǒng)關閉均衡．

圖12 均衡電路

2.3.4 通訊模塊

BMS中是通過CAN進行設備間的通訊，充電機通訊，以及車輛儀表盤通訊．圖13所示電路就是系統(tǒng)中通訊的硬件連接圖．CAN收發(fā)芯片82C250通過兩個光耦隔離后與MCU連接，以保證MCU與CAN通訊互不干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠．

圖13 CAN通訊隔離電路

3 軟件設計

電池管理系統(tǒng)軟件以CodeWarrior for HCS12 V4.7為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫，包括了主板控制、從板控制、高壓板控制及通訊錯誤檢測與處理四個模塊的軟件設計．

3.1 主板控制模塊

主板控制模塊的任務主要有：向EVC（整車控制系統(tǒng)）報告 BMS的狀態(tài)信息；獲取從板測量的單體電壓和機箱溫度；獲取高壓板的絕緣狀態(tài)、總電壓和充放電電流；閉合與斷開充放電回路；計算SOC（剩余容量）與SOH（剩余使用壽命）；保存歷史記錄；通過CAN控制充電機充電等．對SOC的估算方法，本設計結合Ah-Peukert方程法和開路電壓法[5]，提出了一種基于Ah累積計量法的SOC復合估算策略，同時考慮了充放電倍率、溫度、自放電、循環(huán)壽命、停機前的狀態(tài)信息、停機時間[6]等對SOC的影響．

3.1.1 主控制流程

主控制流程主要涉及中央控制器與其它幾個模塊的通訊，并且負責充放電任務的調度．

3.1.2 放電控制流程

放電控制流程主要根據(jù)電壓、溫度、電流、絕緣等參數(shù)情況，計算SOC與SOH，并控制放電過程．具體控制過程如下：

獲取溫度、單體電壓、總電壓與絕緣狀態(tài)、估算SOC與SOH，某項指標嚴重越界則報警，同時向 EVC報告和提示具體原因，繼續(xù)獲取各項參數(shù)值，直到符合正常指標．讀取從板及高壓板的單體電壓、放電回路電壓、溫度、充電電流、放電電流、絕緣強度．如果某項參數(shù)指標嚴重越界，報警并向EVC報告，限制充電電流、關閉放電總正繼電器，然后監(jiān)測等待復位．如果某項參數(shù)指標輕微越界，報警并向EVC報告．根據(jù)電壓、溫度、放電電流計算SOC與SOH．

3.1.3 充電控制流程

充電控制流程主要根據(jù)電池溫度，參考電壓、電流、絕緣等參數(shù)情況，計算SOC與SOH，并控制充電過程．具體控制過程如下：

首先獲取電池溫度，然后打開充電繼電器，控制充電機充電．讀取電壓、溫度、充放電電流與絕緣強度，如果某項參數(shù)指標嚴重越界，報警并向EVC報告，限制充電電流、關閉充電總正繼電器，然后監(jiān)測等待復位．如果某項參數(shù)指標輕微越界，報警并向 EVC報告．估算 SOC與SOH．檢查是否滿足停止充電的條件，控制充電機停止充電，關閉充電總正繼電器．

3.2 從板控制模塊

從板控制模塊的任務主要有：測量單體電芯電壓及電池箱溫度，均衡控制，給主板上傳單體電芯電壓及電池箱溫度信息．具體軟件流程見圖14．

具體控制過程如下：初始化PLL、IO方向及輸出設置（所有繼電器初始化為關閉狀態(tài)）、CAN相關寄存器初始化（允許CAN中斷）．測量單個電芯的電壓及電池箱溫度．根據(jù)電壓值，控制是否需要均衡．根據(jù)主板的要求，打開或關閉相應的繼電器．如果接收到主板的上傳數(shù)據(jù)命令，上傳電壓與溫度．如果接收到主板的下電準備命令，關閉所有的繼電器，給主機發(fā)送準備好下電命令，準備下電．

3.3 高壓板控制模塊

高壓板模塊的功能是計算絕緣強度；根據(jù)主板發(fā)送的命令控制散熱與加熱系統(tǒng)；控制DC-DC回路的斷開與閉合；給主板上傳絕緣狀態(tài)信息．具體軟件流程見圖15．具體控制過程如下：初始化PLL、I/O方向及輸出設置（所有繼電器初始化為關閉狀態(tài)）、CAN相關寄存器初始化（允許CAN中斷）．打開DC-DC繼電器．測量充電電流、放電電流與計算絕緣強度．如果接收到主板的上傳數(shù)據(jù)命令，上傳充電電流、放電電流與絕緣強度信息．根據(jù)主板的要求，打開或關閉相關的繼電器．如果接收到主板的下電準備命令，關閉所有的繼電器，給主機發(fā)送準備好下電命令，準備下電．

3.4 通訊錯誤檢測與處理

BMS的 CAN通訊分為四大部分：主板與EVC（汽車控制中心）的通訊、主板與從板之間的通訊、主板與高壓板之間的通訊及主板與充電機之間的通訊．

圖14 從板工作流程圖

圖15 高壓板工作流程圖

3.4.1 主板與EVC

如果EVC有定時發(fā)送通訊檢測消息的機制，主板只需返回應答消息即可，當規(guī)定的時間內沒有收到EVC的通訊檢測消息，直接向EVC發(fā)送優(yōu)先級較高的請求消息，如果連續(xù)三次沒有回應則認為與 EVC之間有通訊故障，馬上采取報警或其它方式提示駕駛員．如果在十分鐘之內，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．當EVC沒有定時發(fā)送通訊檢測消息機制的時候，主板可以主動發(fā)送消息給EVC，但如果時間間隔太短的話，可能會造成整個車身控制系統(tǒng)的通訊效率．

3.4.2 主板與從板

主板在設定的時間間隔內給從板發(fā)送通訊檢測消息，從板返回應答消息，主板在30秒鐘之內沒有收到從板返回應答消息，向EVC發(fā)送警告消息，在十分鐘之內，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．

3.4.3 主板與高壓板

主板在設定的時間間隔內給高壓板發(fā)送通訊檢測消息，高壓板返回應答消息，主板在30秒鐘之內沒有收到高壓板返回應答消息，向EVC發(fā)送警告消息，在十分鐘之內，通訊依然處于故障狀態(tài)，直接切斷充放電回路．

3.4.4 主板與充電機

主板在設定的時間間隔內給充電機發(fā)送通訊檢測消息，充電機返回應答消息，主板在1分鐘之內沒有收到充電機返回應答消息，向EVC發(fā)送警告消息．主板在與充電機通訊故障5分鐘之后，直接切斷充放電回路．

4 結 論

本文通過在電動汽車上的實際應用，整個動力電池組管理系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的精確性和穩(wěn)定性．系統(tǒng)能夠準確檢測電池溫度、電流、電池以及SOC等信息，并且通過CAN總線通訊實現(xiàn)了與其它車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換功能．由此表明，本文設計的基于 MS9S12XET256MAL單片機的電池管理系統(tǒng)基本滿足了整車使用要求，有著較好的實用性．

[1] 胡林，谷正氣，黃晶，顏運昌．電動汽車關鍵技術分析[J]．機械制造，2005，10：45-47．

[2] Hao Qiu, Zhengbao LEI, Tom Ziming Qi. A Novel Design of an Electric Vehicle with Lateral Moving and In Situ Steering[C]//The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering(MACE2011), Volume 9(Paper number: M93338),7138-7141, July 15-17, 2011, Mongolia, China, IEEE Catalog Number: CFP1143K-PRT，ISBN: 978-1-4244-9437-8．

[3] 王威編著．HCS12微控制器原理及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005．

[4] 王云午，魏宗壽．基于CAN總線的通信節(jié)點設計[J]．現(xiàn)代電子技術，2008，31（3）：172-174．

[5] PLETT G L. High-performance battery-pack power estima-tion using a dynamic cellmodel[J].IEEE Trans on Vehicular Technology, 2004，53（5）：1856-1593．

[6] LEE D T, SHIAH S J, LEE CM, et al. State of charge estimation for electric scooters by using learning mechanisms[J].IEEE Trans on Vehicular Technology,2007，56（2）：544-556．