一种基于MC9S12单片机的新型电池组监测管理模型

任毅 劳孟潇 吴润宇 高子聪

摘要：本作品的设计旨在实现对电池组监测和管理的功能，为了实现上述功能，本团队制作了一款以飞思卡尔MC9S12DP512为核心MCU，包含外围电池数据采集电路、霍尔传感器、热电偶等硬件设备的电池组监测管理模型。该模型包含两个电池盒（每个电池盒可安装四块电池），可同时监控最多8块任意型号的电池，其中各块电池在监控过程中可以相互独立。下面将从电压采集、温度采集、电流采集、MSCAN通讯、SOC计算、液晶显示六个模块进行说明。

关键词：SOC;MC9S12;CAN通讯;卡尔曼滤波

1模块说明

1.1 电压采集模块

单体电池的正负极电压分别为V₊和V_-，在滤波电容的低通滤波作用后，经运算放大器U_1A（做差处理）后可得到单极性电压信号V₁，该信号再经过光电耦合型继电器AQW214（隔离作用）送入MCU相应的AD转换接口，经MCU中模数转换模块（10位精度）处理后可得到相应的数字量电压值。

各个物理量之间的关系为：

V₁=V₊-V_-V_out=V₁

1.2 温度采集模块

温度信号的采集使用了GG-k-30 SLE（K型热电偶）温度传感器，将单体电池的温度信号转化为电压信号V_T+和V_T-，在滤波电容的低通滤波作用后，经运算放大器U_1A（做差处理）后得到单极性电压信号V₁，该信号为毫伏级电压信号，需要经过运算放大器U_2A和U_3A两级放大（25*40=1000倍）得到电压信号V_2，，再经过运算放大器U_4A做差分处理（因为零下温度将得到负的电压值V₁，而MCU只能接收0-5V电压信号，用运放添加参考电压，将V₂电压抬高1.9V，使电压信号范围保持在0-5V以内），同样该信号也经过隔离元件AQW214后送入MCU相应的AD转换接口，经MCU中模数转换模块（10位精度）处理后可得到相应的数字量电压值。

各个物理量之间的关系为：

V₁=V_T+-V_T-V₂（V）=1000V₁（mV）

V_out= V₂+1.9V（将电压变化范围控制在0-5V以内）

电压-温度的线性关系表达式为：

1.3 电流采集模块

HSTS016L是一款量程可选（±150A/±100A/±50A）的霍尔传感器，其内部的霍尔元件可以将电流信号转化为MCU可接收范围内的单级电压信号。传感器内部采用特有的稳定以及温度补偿电路，从而将外界电压及温度对传感器的影响降至最低，其转化关系具有极好的线性特征，如图2.3.1所示。由霍尔传感器得到的电压信号经隔离元件AQW214后可直接送至单片机的AD转换接口，该部分的电路原理图如图2.3.2所示。

电压-电流的线性关系表达式为：

1.4 MSCAN通讯模块

本作品中，用CANH和CANL组成的双绞线连接两块MCU，组成含有两个CAN节点（每个节点都由相应MCU中的MSCAN模块和CAN收发器TJA1050以及其他必要的电器元件组成，具体见图2.4.1）的CAN总线系统，实现两个MCU之间的信息交互。CAN协议中，所有信息均以报文的形式发送和接受，每条CAN报文都包含报文ID、存储数据和优先级位等内容。在该模块中，将MCU1中得到的电池电压和温度信息包装为CAN报文的形式，再通过CAN总线发送并由MCU2接收，至此信息传递过程实现。

1.5SOC计算模块

卡尔曼滤波算法是现代控制理论中运用比较多的一种方法，它是一种由上一时刻（K时刻）已知的最优SOC数值来估算下一时刻（K+1时刻）的最优SOC数值，因此卡尔曼滤波法是一种最优化的递归处理办法。在任意时刻，系统都会得到SOC的一个预测值和一个测量值，无论是预测还是测量，其结果都不可避免的会存在偏差，而通过卡尔曼滤波算法，可以由这两个不同的SOC值計算出当前时刻最优的SOC数值，其计算公式如2.5.1：

1.6液晶显示模块

该模型选用了最大可显示4*16字节数据的 LED显示屏，可根据实际需要，通过不同的程序调用，在LED显示屏上展示出各类电池数据信息（电压、温度、SOC等）。液晶接口与MCU的I/O口直接连接形成串口液晶模式，将各个模拟量经A/D转换得到的二进制数由相应的C程序转化为字符串，再通过串口显示到LED显示屏上。

（作者单位：东北大学）