任毅 勞孟瀟 吳潤(rùn)宇 高子聰

摘要：本作品的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組監(jiān)測(cè)和管理的功能，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本團(tuán)隊(duì)制作了一款以飛思卡爾MC9S12DP512為核心MCU，包含外圍電池?cái)?shù)據(jù)采集電路、霍爾傳感器、熱電偶等硬件設(shè)備的電池組監(jiān)測(cè)管理模型。該模型包含兩個(gè)電池盒（每個(gè)電池盒可安裝四塊電池），可同時(shí)監(jiān)控最多8塊任意型號(hào)的電池，其中各塊電池在監(jiān)控過(guò)程中可以相互獨(dú)立。下面將從電壓采集、溫度采集、電流采集、MSCAN通訊、SOC計(jì)算、液晶顯示六個(gè)模塊進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：SOC;MC9S12;CAN通訊;卡爾曼濾波

1模塊說(shuō)明

1.1?電壓采集模塊

單體電池的正負(fù)極電壓分別為V₊和V_-，在濾波電容的低通濾波作用后，經(jīng)運(yùn)算放大器U_1A（做差處理）后可得到單極性電壓信號(hào)V₁，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)光電耦合型繼電器AQW214（隔離作用）送入MCU相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)MCU中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（10位精度）處理后可得到相應(yīng)的數(shù)字量電壓值。

各個(gè)物理量之間的關(guān)系為：

V₁=V₊-V_-V_out=V₁

1.2?溫度采集模塊

溫度信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V_T+和V_T-，在濾波電容的低通濾波作用后，經(jīng)運(yùn)算放大器U_1A（做差處理）后得到單極性電壓信號(hào)V₁，該信號(hào)為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U_2A和U_3A兩級(jí)放大（25*40=1000倍）得到電壓信號(hào)V_2，，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U_4A做差分處理（因?yàn)榱阆聹囟葘⒌玫截?fù)的電壓值V₁，而MCU只能接收0-5V電壓信號(hào)，用運(yùn)放添加參考電壓，將V₂電壓抬高1.9V，使電壓信號(hào)范圍保持在0-5V以內(nèi)），同樣該信號(hào)也經(jīng)過(guò)隔離元件AQW214后送入MCU相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)MCU中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（10位精度）處理后可得到相應(yīng)的數(shù)字量電壓值。

各個(gè)物理量之間的關(guān)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(nèi)）

電壓-溫度的線性關(guān)系表達(dá)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(nèi)部的霍爾元件可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為MCU可接收范圍內(nèi)的單級(jí)電壓信號(hào)。傳感器內(nèi)部采用特有的穩(wěn)定以及溫度補(bǔ)償電路，從而將外界電壓及溫度對(duì)傳感器的影響降至最低，其轉(zhuǎn)化關(guān)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(hào)經(jīng)隔離元件AQW214后可直接送至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)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(guān)系表達(dá)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(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由相應(yīng)MCU中的MSCAN模塊和CAN收發(fā)器TJA1050以及其他必要的電器元件組成，具體見(jiàn)圖2.4.1）的CAN總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MCU之間的信息交互。CAN協(xié)議中，所有信息均以報(bào)文的形式發(fā)送和接受，每條CAN報(bào)文都包含報(bào)文ID、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和優(yōu)先級(jí)位等內(nèi)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(bào)文的形式，再通過(guò)CAN總線發(fā)送并由MCU2接收，至此信息傳遞過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

1.5SOC計(jì)算模塊

卡爾曼濾波算法是現(xiàn)代控制理論中運(yùn)用比較多的一種方法，它是一種由上一時(shí)刻（K時(shí)刻）已知的最優(yōu)SOC數(shù)值來(lái)估算下一時(shí)刻（K+1時(shí)刻）的最優(yōu)SOC數(shù)值，因此卡爾曼濾波法是一種最優(yōu)化的遞歸處理辦法。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)都會(huì)得到SOC的一個(gè)預(yù)測(cè)值和一個(gè)測(cè)量值，無(wú)論是預(yù)測(cè)還是測(cè)量，其結(jié)果都不可避免的會(huì)存在偏差，而通過(guò)卡爾曼濾波算法，可以由這兩個(gè)不同的SOC值計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)的SOC數(shù)值，其計(jì)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(jié)數(shù)據(jù)的 LED顯示屏，可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)不同的程序調(diào)用，在LED顯示屏上展示出各類電池?cái)?shù)據(jù)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(gè)模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制數(shù)由相應(yīng)的C程序轉(zhuǎn)化為字符串，再通過(guò)串口顯示到LED顯示屏上。

（作者單位：東北大學(xué)）