新能源汽车电池管理系统硬件电路设计.doc

新能源汽车电池管理系统硬件电路设计电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态：电池的电压、电流和温度，预测电池组的荷电状态SOC和相应和剩余行驶里程，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命为了实现这些任务，本系统对各个功能模块进行了划分，形成各智能测量与控制节点，这些节点又统一由一个基于MC9S12DP512的中央控制单元(CCU)进行控制管理，整个系统与整车各控制器间用基于CAN(ControllerAreaNetwork)的总线来进行通讯CAN总线的应用，可以完全满足现代汽车设计中通讯的高可靠性和快速性要求CAN通讯的采用可以使整个管理系统与整车的管理系统对接，实现整车管理系统的优化同时为了便于以后对电池模型的研究，本系统设计了基于USBCAN的PC机端CAN通讯接口，实现了PC对BMS的快速访问，以便用PC强大的数据处理功能来处理所采集到的数据6.1电池管理系统硬件方案设计6.1.1BMS硬件功能硬件的设计必须要实现对动力电池组的合理管理，首先必须保证采集数据的准确性；其次是可靠稳定的系统通信；最后非常重要的是抗干扰性。

在具体实现过程中，根据设计49要求决定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求决定前向通道的设计；根据抗干扰性要求设计合理的通讯接口电路1）电池组管理系统的硬件电路为管理软件提供了工作平台，该硬件的主要功能与基本特点如下：(1)设计有掉电保护RAM，用于存储故障诊断结果、自学习结果、电池历史使用情况等参数由于研制阶段的BMS的备用电源随时可能掉电，使用过程中的备用电源也可能在车辆维护过程中拆除，因此须在这些情况下保持数据不丢失2)具有BMS的自学习策略3)BMS的EMC能力强4)实现BMS的模块化设计，特别是可靠的独立的CPU板设计，降低开发成本、提高开发效率5)实现对BMS动态程序下载与程序烧写，具备了动态标定能力6)具有外部ADM2）BMS硬件开发要点为了实现上述BMS功能，必须依赖系统硬件的设计因此，BMS硬件开发过程中需首先考虑的事项有：(1)开发系统支持的编程语言2)开发系统使用的开发平台3)开发系统的功能4)确定控制单元输入/输出管脚的数量和性质5)友好的集成开发环境6)选择各种芯片和元器件，应特别慎重地选择控制单元的CPU芯片3）硬件系统的搭建，包括以下内容：(1)供电系统设计。

2)I/O电路的设计、调试和标定3)辅助电路设计4)CPU电控单元的设计和调试5)通讯电路的设计和调试6)底层汇编程序的编制和调试6.1.2BMS主CPU及其开发系统为了实现CAN总线通讯和为BMS系统留足够的富裕扩展能力，在原有工作基础上，重新对目前在汽车电子产品上的ECU进行了评估目前，世界汽车电子产品用的主流单片机有freescale系列、siemens系列、Philips系列，其中美国产品大多采用了freescale系列单片机6.2系统硬件电路实现6.2.1硬件电路实现遵循的原则1）模块化：为了设计、调试、维护的方便，电路的设计一般都要遵循模块化的原则因此需要对硬件电路的要求进行模块的划分，然后再分别进行设计和调试2）集成化：硬件电路中用到的元件越多，造成故障的可能性就增大了很多，设计调试和维护都变得困难因此在设计中尽量采用集成化较高的元件3）简单化：设计中可以用简单方式实现的功能就不采用复杂的方式4）最优化：在可能的基础上，需要对各种设计方案进行筛选，找到相对最佳的方案5）可靠性，耐久性：作为汽车用的系统，可靠性和耐久性一直是最重要的指标之一为了达到系统的要求，需要从设计方案的筛选、元器件的选择、EMC设计等多方面进行考虑。

基于以上考虑BMS核心主CPU的选取显得尤为重要,综合各方面因素，最终选取HCS12家族16位嵌入式单片机MC912DP512的作为BMS核心主CPU6.2.2MC912DP512介绍MC912DP512是一个高度集成的16位微处理器，是HCS12家族16位嵌入式单片机系列产品它采用了高密度互补金属氧化物半导体HCMOS工艺，使得MCU的基本功耗降低，同时可以通过CPU16指令集的低功耗指令（LPSTOP）使得MCU的功耗进一步降低，特别适合用作汽车电子控制MC912DP512是一个功能强大的单片机，其内部采用模块化结构设计，主要有中央处理器CPU16、可配制定时中断的时钟与复位发生器(CRG)、系统端口集成模块PIM、周期性中断定时器模块（PIT）、带外部触发转换的10位的队列A/D转换器（ATD）、增强型捕获定时器（ECT）、可提供硬件触发源的脉宽调制模块（PWM）、512KB的片上程序存储器（FLASH）及14KB的片上存储器RAM和4KB的片上存储器EEPROM、串行外部口模块（SPI）和异步串行口模块（SCI）及I2总线模块（IIC），同50时MC912DP512还有一个支持CAN2.0B协议的（msCAN）模块，可以实现CAN通讯。

他们被设计在一个芯片内，形成一个方扁平形的集成块，图4-4为MC912DP512的模块组成这里特别强调一下时钟与复位发生器(CRG)的RTI单元，它可脱离CPU而单独工作，专门处理与定时有关的事件，减轻CPU的负担，提高MCU的执行速度和效率1）中央处理器CPU16(HCS12)CPU16(HCS12)管理着MC9S12DP512和外部设备的全部活动它通过内部总线与其内部的各个模块通讯，同时还通过外部扩展总线与外部芯片或外部设备连接并进行数据传送CPU16(HCS12)指令集与MC68HC11系列基本指令系统向上兼容，支持原有的指令和扩展功能，具有强有力的寻址方式，其内部数据和地址处理能力达16位，且具有2个多功能的8位数据累加寄存器、2个16位的变址寄存器、16位的程序计数器PC、16位栈指针SP，和几个专用控制寄存器，其中地址寄存器和程序计数器及栈指针均可作为变址寄存器使用，而数据寄存器作为累加器、缓冲寄存器和暂存器使用CPU16(HCS12)外部有23根地址总线和16根数据总线以及控制总线分别连接到MC9S12DP512的内部总线上，如此可选择的每个实地址空间为8M，并可进行位、字节、字和长字的传送。

CPU16(HCS12)丰富的指令系统不仅具有MC68HC11基本指令系统的特性，还支持高级语言并可增加高级语言编辑器的效率，可使用户开发复杂算法，并增加了查表和插值、低功耗STOP等控制指令；CPU16(HCS12)还增加了跟踪和陷阱功能，使程序易于检查和诊断流水线结构使指令在CPU内部并发地工作，在执行指令的同时，可进行不同阶段的译码和指令预取这样CPU在执行一连串指令时，总的执行时间大大减少，甚至在两个时钟周期左右就可执行完一条指令2）系统端口集成模块PIM系统集成模块PIM(PortIntegrationModule)建立了片内模块单元，其中包括非复用外部总线接口模块(S12_EBI)和I/O引脚的接口，是片内外通讯的桥梁它控制着I/O引脚上的电器特性以及引脚上信号的使用优先级和引脚上信号的复用性I/O引脚若作为普通端口使用，不仅可以实现数据的双向传输，还可以设定驱动能力大小，实现上拉与下拉功能同时部分引脚还具备触发中断能力，增强了CPU与外设的接口功能3）时钟与复位发生器CRG时钟与复位发生器CRG(ClocksandResetGenerator)由以下五个控制系统工作的子模块组成，即锁相环倍频器、系统时钟发生器、看门狗定时器、系统复位处理模块、实时中断模块。

它们控制着MC9S12DP512微处理器的启动、初始化、设置和与外部设备的连接系统时钟发生器可与外部晶振或外部振荡电路相连接，产生片CPU16内核系统时钟信号、片内总线时钟信号其他模块和外部设备所用的时钟信号，同时还具有时钟信号品质进检测功能，为频率信号丢失复位提供了硬件基础系统复位处理模块可以使MC9S12DP512具备上电复位、低电压复位、非法地址侵入复位、看门狗复位、频率信号丢失复位和外部部引脚复位功能实时中断模块RTI(Real-timeinterrupt)的可脱离CPU而单独工作，专门处理与定时有关的事件，可减轻CPU负担，提高系统运行的实时性.同时其中断时间确定上引入的十进制分频手段，使得中断时间高度精确4）周期性中断定时器模块PIT周期性中断定时器模块(PeriodicInterruptTimer)是一组24位的定时器，其时钟基准由系统总线时钟提供，可以为片内其他模块提供硬件触发源，同时还可产生周期性定时中断该模块由四个定时器组成一组，每个定时器独立计数，实行递减计数机制，可以独立产生定时中断，独立生成一个上升沿的硬件触发信号（可以作为ATD进行转换的启动信号），并能进行控制寄存器的写操作及状态位和中断逻辑的读操作，能够计数达16M个总线时钟周期。

5）可提供硬件触发源的脉宽调制模块PWM脉宽调制PWM(Pulse-WidthModulators)的定义是基于对HC11的PWM模块的定义它包含了HC11的PWM模块的一些基本特征，并曾强了51中间对其模式，每通道具有四个时钟源，形成HC11的增强型版本HC12的__________PWM该模块有八个通道，每个通道的模式可独立设定为左对齐模式和中间对齐模式，并带专用的计数器，周期与占空比可独立设定，占空比可在0~100%编程设定，除此之外，8位8通道的PWM可提供16位4通道的解决方案，拓宽了周期选择的范围整个模块还提供一个中断，在模块紧急关停时产生，但不会产生中断服务，从而提供了一种硬件保护机制6）带外部触发转换的10位的队列A/D转换器ATD队列A/D转换器(Analog-to-DigitalConverter)是一个10位的A/D转换模块，包含2个8通道的模块，直接输入时有16路采样通道，多路复用时可以达到34路采样通道，转换时间在7us左右MC912DP512的ATD模块的特别之处是它的队列采样机制ATD可以设置两个采样队列，每次采样完毕之后，CPU16(HCS12)无需干预，最长可达32个命令字的采样队列结束后，可以将采样结果存放到对应的结果寄存器当中。

ATD支持单循环采样及多循环采样，同时支持软件触发及外部硬件触发（上升沿、下降沿触发或高电平、低电平触发）ATD可以灵活设置其采样频率ATD有4个中断源，其中常用的是当每一个队列采样结束时所产生的中断7）通讯部分包括串行外部口模块SPI(SerialPeripheralInterface)和异步串行口模块SCI(SerialCommunicationInterface)及I2总线模块IIC(Inter-IntegratedCircuit)SPI是MCU与外部设备和其它MCU进行同步通讯的全双工串行接口SPI通过3条全双工、同步的串行通信线：数据输入、数据输出和串行时钟来扩展系统或进行微处理器间的通信确定串行传送时序和协议的参数均可编程控制因为SPI能在主机和从机两种方式下工作，所以串行通信线为双向传送信号线初始化程序必须确定工作方式并设置信号线方向SPI还包括一个组织成队列的存储区该队列是命令和与串行外围接口有关的数据存储区（可编程队列和可编程队列指针）这就使SPI被初始。