一種基于MC9S12單片機的新型電池組監測管理模型

任毅 勞孟瀟 吳潤宇 高子聰

摘要：本作品的設計旨在實現對電池組監測和管理的功能，為了實現上述功能，本團隊制作了一款以飛思卡爾MC9S12DP512為核心MCU，包含外圍電池數據采集電路、霍爾傳感器、熱電偶等硬件設備的電池組監測管理模型。該模型包含兩個電池盒（每個電池盒可安裝四塊電池），可同時監控最多8塊任意型號的電池，其中各塊電池在監控過程中可以相互獨立。下面將從電壓采集、溫度采集、電流采集、MSCAN通訊、SOC計算、液晶顯示六個模塊進行說明。

關鍵詞：SOC;MC9S12;CAN通訊;卡爾曼濾波

1模塊說明

1.1?電壓采集模塊

單體電池的正負極電壓分別為V₊和V_-，在濾波電容的低通濾波作用后，經運算放大器U_1A（做差處理）后可得到單極性電壓信號V₁，該信號再經過光電耦合型繼電器AQW214（隔離作用）送入MCU相應的AD轉換接口，經MCU中模數轉換模塊（10位精度）處理后可得到相應的數字量電壓值。

各個物理量之間的關系為：

V₁=V₊-V_-V_out=V₁

1.2?溫度采集模塊

溫度信號的采集使用了GG-k-30 SLE（K型熱電偶）溫度傳感器，將單體電池的溫度信號轉化為電壓信號V_T+和V_T-，在濾波電容的低通濾波作用后，經運算放大器U_1A（做差處理）后得到單極性電壓信號V₁，該信號為毫伏級電壓信號，需要經過運算放大器U_2A和U_3A兩級放大（25*40=1000倍）得到電壓信號V_2，，再經過運算放大器U_4A做差分處理（因為零下溫度將得到負的電壓值V₁，而MCU只能接收0-5V電壓信號，用運放添加參考電壓，將V₂電壓抬高1.9V，使電壓信號范圍保持在0-5V以內），同樣該信號也經過隔離元件AQW214后送入MCU相應的AD轉換接口，經MCU中模數轉換模塊（10位精度）處理后可得到相應的數字量電壓值。

各個物理量之間的關系為：

V₁=V_T+-V_T-V₂（V）=1000V₁（mV）

V_out=?V₂+1.9V（將電壓變化范圍控制在0-5V以內）

電壓-溫度的線性關系表達式為：

1.3?電流采集模塊

HSTS016L是一款量程可選（±150A/±100A/±50A）的霍爾傳感器，其內部的霍爾元件可以將電流信號轉化為MCU可接收范圍內的單級電壓信號。傳感器內部采用特有的穩定以及溫度補償電路，從而將外界電壓及溫度對傳感器的影響降至最低，其轉化關系具有極好的線性特征，如圖2.3.1所示。由霍爾傳感器得到的電壓信號經隔離元件AQW214后可直接送至單片機的AD轉換接口，該部分的電路原理圖如圖2.3.2所示。

電壓-電流的線性關系表達式為：

1.4?MSCAN通訊模塊

本作品中，用CANH和CANL組成的雙絞線連接兩塊MCU，組成含有兩個CAN節點（每個節點都由相應MCU中的MSCAN模塊和CAN收發器TJA1050以及其他必要的電器元件組成，具體見圖2.4.1）的CAN總線系統，實現兩個MCU之間的信息交互。CAN協議中，所有信息均以報文的形式發送和接受，每條CAN報文都包含報文ID、存儲數據和優先級位等內容。在該模塊中，將MCU1中得到的電池電壓和溫度信息包裝為CAN報文的形式，再通過CAN總線發送并由MCU2接收，至此信息傳遞過程實現。

1.5SOC計算模塊

卡爾曼濾波算法是現代控制理論中運用比較多的一種方法，它是一種由上一時刻（K時刻）已知的最優SOC數值來估算下一時刻（K+1時刻）的最優SOC數值，因此卡爾曼濾波法是一種最優化的遞歸處理辦法。在任意時刻，系統都會得到SOC的一個預測值和一個測量值，無論是預測還是測量，其結果都不可避免的會存在偏差，而通過卡爾曼濾波算法，可以由這兩個不同的SOC值計算出當前時刻最優的SOC數值，其計算公式如2.5.1：

1.6液晶顯示模塊

該模型選用了最大可顯示4*16字節數據的 LED顯示屏，可根據實際需要，通過不同的程序調用，在LED顯示屏上展示出各類電池數據信息（電壓、溫度、SOC等）。液晶接口與MCU的I/O口直接連接形成串口液晶模式，將各個模擬量經A/D轉換得到的二進制數由相應的C程序轉化為字符串，再通過串口顯示到LED顯示屏上。

（作者單位：東北大學）