电池管理系统硬件电路设计Word格式文档下载.docx
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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。
1.1.2BMS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。
1.2系统硬件电路实现
1.2.1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CPU。
1.2.2MC912DP512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被初始化后，可处理16个8~16位的串行传送或连续发送多达256位长的数据流，而无须CPU介入；
SCI用于MC9S12DP512和一个操作者终端或类似装置之间的异步串行数据传送（全双工或半双工）。
它作为一个通用异步接受/发送器（UART），可将数据字节转换成为串行数据流或相反。
字长可由软件选择为8位或9位。
13位通过编程波特率模量计数器允许用户更加灵活地选择系统时钟频率，收发可单独使能。
在系统时钟为11.78MHz时，可提供64~512K波特的波特率。
数据的发送和接受有奇偶校验和检测功能，并具有两种空闲线检测功能。
它的高级出错检测电路可发现持续时间为1/16位的噪声；
IIC总线是一个两线，双向串行总线，它设备间数据通讯，提供了一种简便，有效的解决方案。
作为两线装置，IIC总线可以实现需要大量设备之间的连线数量小化，无需使用地址译码器便可直联。
它特别适合应用在需要进行间或和短距离通讯的场合。
它还提供了灵活性，允许更多的设备将连接至总线。
进一步扩大和系统的开发。
此外MC9S12DP512内置CAN控制器模块，该控制器模块为msCAN（MotorolaScaleableCAN），服从CAN2.0A/B协议，集成了除收发器外CAN总线控制器的所有功能。
8）片上存储器部分包括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。
MC9S12DP512带有字节的片上高速全静态互补金属半导体RAM，它们可通过编程映像到地址空间的任意储区内。
CPU可对它们进行字节、字和长字的读和写，并进行两个时钟周期的高速存取，故它们特别适合用作程序控制堆栈或经常修改的
数据变量的存储区。
系统管理程序和大量数据表放在512KB的Flash上，无需扩展外部存储器，使得基于MC9S12DP512的系统板的电磁兼容性和稳定性有了显著提高，非易失性EEPROM可存放历史数据。
另外此外，正常工作时，它由系统电源VDD供电；
在系统电源掉电或失效时，可自动切换到后备电源VSTBY，该后备电源供电时，电压可降到+3.0V，后备电流也降到最低值。
9）增强型捕获定时器（ECT）。
增强型捕捉定时器模块ECT（EnhancedCaptureTimer）是带附加功能的HCS12标准捕获定时器模块的增强型版本，它扩大应用领域，特别是用于汽车ABS的应用。
基本定时器的位数为16位，共8个通道，每通道计数器可独立由软件编程驱动计数。
此计时器可作多种用途，包括输入波形测量并可同时产生输出波形。
脉冲宽度可从微秒级到秒级变化。
以上特点表明，MC912DP512是功能强大的微处理器，它具
有卓越的数据处理能力和功能很强的外围子系统，运行速度快，处理信息容量大，完全能够完成BMS硬件系统需要完成的信号采集、信号产生及I/O输出等功能。
1.2.3电源电路的设计
在汽车电子化设计过程中，电源的设计是非常重要的。
目前汽车的电压主要为12VDC/24VDC，电压波动为8~36V。
车载电源在工作环境、效率和抗干扰能力等方面均比其它电源要求高，所以车载电源设计必须满足下列条件。
（1）宽电压范围下工作，不受瞬间电压下降的影响。
由于运用在汽车上，汽车点火与加速时均可能引起电池电压的短暂下降与丢失，这种瞬间的电压下降不应影响电源的工作。
（2）抗干扰能力强。
汽车上电子设备多，EMI干扰比较大，车载电源要能在高干扰的条件下运行。
（3）效率问题。
在
汽车狭小的空间里，散热将是一个主要的问题，只有电源的效率高，才能从根本上解决散热的问题。
（4）适用温度范围宽。
汽车在户外启动时，电源周边温度较低。
运行一段时间后，由于发动机的工作会造成车载电源周边温度较高，因此要求车载智能电源的适用温度范围要宽。
为实现模块化设计并保障设计的年可靠性，选用已有的集成稳压芯片作为稳压电源模块。
稳压电源包括线性稳压电源和开关稳压电源。
线性稳压电源通过改
变调整管两端的电压降，使输出电压稳定在一定的范围，由于调整管是连续地工作在线性放大状态，所以称为线性稳压电源。
线性稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强及纹波电压小等优点，但是调整管自身要消耗很大的功率、效率低，特别在负载电流较大且输出电压较低时更明显。
开关电源通过调整管断续的工作在饱和和截止状态的时间，对电感进行能量储存，进而控制输出电压值的范围，也就是它是工作在开关状态的，因此而得名。
开关电源的调整管要么工作在截至状态要么工作在饱和状态。
工作在截止状态时，电流很小；
工作在饱和状态时，管压降很小，故管耗都很小。
本系统中分别采用了线性稳压电源和开关稳压电源。
系统的MCU工作在5V的工作环境下，故要一个5V的直流电源；
系统的A/D需要一个稳定度很高的5V基准电压。
1.2.4时钟电路的设计
MC9S12DP512的系统时钟可由两种方式产生：
一是通过MCU内部的时钟合成器（主要包括带有压控振荡器（VCO）的锁相环路（PLL））产生高速时钟；
二是通过外部时钟提供。
该功能由系统复位期间XCLKS引脚的状态来决定，复位期间XCLKS引脚为高电平时，系统时钟由内部电路提供；
XCLKS引脚为低电平时，使用外部时钟。
本文采用外部有源时钟，此时XTAL悬空，XFC引脚通过电阻和电容电路与VDDPLL引脚相连，EXTAL引脚接外部时钟信号，VCC为时钟电路单独提供稳定、可有效抑制噪声干扰的电源。
1.2.5实时时钟系统电路的设计
BMS的硬件系统必须具备实时时钟系统。
在主电源系统断电的情况下，能否随时提供准确的当前时间数据，直接影响软件算法的精度大小，尤其是开机过程的初始SOC的确定精度大小。
DS1302是众多时钟芯片中一款性价比较高的产品，它是美国DALLAS公司推出的一种高性能的低功耗，带RAM的实时时钟芯片。
它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时。
且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×
8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
在使用DS1302制作电子时钟时，经常会出现一些难点问题，主要表现在电源供电方案的设计上，DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK，I/O，RST。
DS1302与CPU连接的电路原理图如图4-7所示。
Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低率的电池备份。
Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运方式下Vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下保存时间信息以及数据。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的大者供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电，当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
1.2.6I/O信号输出电路
采集到电池的状态参数后，经过相关控制策略的处理后，BMS送出的相应I/O信号，产生相应的高低电平给动力总成控制器（HCU）是电池管理系统的又一功能。
动力总成控
制器（HCU）所需的I/O信号包括诊断请求、ADM唤醒、ADM控制等。
电池管理系统只需将控制策略释放出的数字I/O信号从MC9S12DP5612的T口输出相应的高低电平，便可控制热量管理单元的冷却风扇的启停。
I/O输出电路的接口比较简单，不需要太多信号处理的问题，只需考虑信号的驱动能力。
1.2.7电压采集单元的设计
目前国内设计的电池模块电压采集上，多采多采用分布式的数据检测，即每个电池单体或每个电池模块（一般为几十个模块）配备一个采样模块，通过隔离的串行总线集中到总控制模块。
电池管理系统是一个车载系统，采用图4-9所示的分布式检测系统时，不利于对系统的维护。
该种方案虽然结构简单，但由于系统有多个测量模块，成本较高，而且此分布式采集系统会附带数据采集的不一致性，同时由于数据由串行总线传输，系
统巡回检测的速度受限制，数据的实时性不高。
由此，我们考虑第二种方案，即：
采用集中式测量方案。
集中式测量方案对参数的测量速度较快，实时性更好，数据采集的一致性更好、成本较低，但需要解决串联电池的电压测量中共地隔离、测量精度等问题，技术难度大。
本电池管理系统BMS电池组单体电池数达260个，分成26个模块。
电池组标称电压312V，以模块单位进行电压测量。
模块电压测量采用分压式方案，采用浮地
技术，以扫描方式快速完成各模块电压及总电压的数据采集，从而实现硬件部分分时复用，降低了成本。
利用仪表放大器极高输入阻抗、优良的共模抑制、线性度、温度稳定性、可靠性特点，调理分压后的信号电压，以便A/D模块处理。
仪表放大器前接入一组电子开关，以实现模块电压的正负交替。
在电子开关的设计上，选取了高速光隔固态继电器AQW214，该继电器隔离电压为1500V，灵敏度高，无需专门驱动电路，并且响应速度快，导通电阻稳定，开路漏电电流极低。
1.2.8电流采集单元
电流的采样是估计电池剩余容量（SOC）的主要依据，因此对其采样的精度，抗干扰能力，零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。
和电池组模块电压测量相比，电流的测量则比较复杂，首先电动汽车上电机采用PWM控制，电流是脉动的，其次在助力和能量回馈两种模式间的切换时电流正负数值从几安到数百安培，且变化率较大。
因此必须选用响应速度快，具有优良线性度的高精度霍尔传感作为电流采集单元。
1.2.9温度采样单元
电池的工作状态与其内部温度及工作的环境温度都有着很重要的关系。
因此，温度测量是电池管理系统的重要部分。
温度测量的方法一般有两种。
其一是用数字式温度测量器件。
但由于电池管理系统中要求多点测量温度，各个温度测量器件分布在电池箱体内，与总的控制主板间的走线较长，且汽车上的各种干扰较强，采用数字式的测量方法时，需要总线有一定的抗干扰能量。
第二种方法是采用模拟信号测量。
1.2.10A/D转换器
在电池管理系统中需要测量的量较多，有电压、电流及多路温度。
为简化硬件设计，我们拟选用一多通道的A/D转换器件，由于在管理系统中电流的测量是最为重要的，因此，在选用A/D器件时，首先要考虑的就是如何满足电流的快速变化，其次要满足多同道的要求。
1.2.11基于msCAN的智能节点电路
电池管理系统（BMS）具备的CAN通讯功能，接入整车CAN总线网络后，可满足电动汽车动力总成各控制器之间的大量数据的实时交换与共享。
整车CAN系统中有两类节点：
一类由USBCAN接口卡和PC机组成，同过此类节点PC可以共享电池管理系统的信息并实现对电池管理系统的在线标定；
另一类由带CAN控制模块的单片机和CAN收发器组成。
在电池管理系统中，CAN总线智能节点电路由MC9S12DP512内置模块CAN控制模块，CAN总线驱动器PCA82C250和高速光电耦合器6N137，可实现数据的接受与发送等通讯任务。
1.3电磁兼容（EMC）设计
电磁干扰是现代电路工业面对的一个主要问题，而系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的电磁兼容性是系统可靠性的重要指标。
特别是对于本系统，如果抗电磁干扰性处理不好，将会引起诸多不良后果。
电路要形成电磁干扰，必须具备以下三个基本要素：
1）电磁骚扰：
任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其他设备分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源。
2）耦合途径：
耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。
3）敏感设备：
敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、为了实现电磁兼容，必须从上面三个基本要素出发，运用技术和组织两方面的措施。
所谓技术措施，就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，采取有效的技术手段，抑制骚扰源、消除或减弱骚扰的耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平。
对于本系统的电磁兼容性问题，主要是动力总成控制器（HCU）内部，电池管理系统（BMS）内部，以及动力总成控制器（HCU）与电池管理系统（BMS）之间的电磁兼容性问题；
由于前者在以前设计动力总成控制器
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