基于μC／OS-II+CPLD的電動(dòng)車(chē)電池管理系統設計

作者：時(shí)間：2010-10-18 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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電池管理系統BMS(Battery Management System)是電動(dòng)汽車(chē)的一項關(guān)鍵技術(shù)。高性能、高可靠性的電池管理系統能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。電池管理系統可實(shí)時(shí)監測電池狀態(tài)，如電池電壓、充放電電流、使用溫度等；預測電池荷電狀態(tài)(State of charge)，防止電池過(guò)充過(guò)放，從而達到提升電池使用性能和壽命，提高混合動(dòng)力汽車(chē)的可靠性和安全性的目的。本沒(méi)計以DSP和CPLD為主體，構建電池管理系統的硬件平臺，并在DSP內部嵌入μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統，可大大提高系統的穩定性和實(shí)時(shí)響應能力，增強系統的可擴展性和可移植性。

1 硬件系統設計

　　1．1 集中式電池管理系統結構

　　混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)HEV(Hybrid Electric Vehicle)要求的車(chē)載動(dòng)力電池總電壓一般比較高，電池節數較多。本設計所涉及的鎳氫動(dòng)力電池組是由270個(gè)電池單體組成的，每個(gè)單體可提供1．2V左右電壓。其中每10個(gè)單體元組成一個(gè)模塊，共有27個(gè)電池模塊，總額定電壓為324V。

　　采用集中式電池管理系統結構是將電池信息測量與采樣模塊和主控模塊集中在一起，通過(guò)設計多路控制選擇開(kāi)關(guān)分時(shí)完成數據采集。這種設計方法具有電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小的特點(diǎn)。設計的電池管理系統基本結構示意圖如圖1所示。

　　1．2 電池管理系統的硬件方案

　　圖2為系統硬件平臺。選用TI公司的TMS240LF2407(簡(jiǎn)稱(chēng)為“LF2407”)作為系統的CPU。其核心采用哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器；廣泛采用流水線(xiàn)操作，可用來(lái)實(shí)現快速的數字信號處理算法，有助于提高計算電池SoC值的速度和精度；同時(shí)，片上集成了豐富的外設(如A／D轉換器、SCI模塊和CAN網(wǎng)絡(luò )控制器等)，可以充分發(fā)揮其資源優(yōu)勢。

　　單體電壓、總電壓和總電流的采集，均以CPLD為核心，通過(guò)一定的邏輯控制，控制光電開(kāi)關(guān)固態(tài)繼電器陣列分時(shí)導通，將采樣信號經(jīng)過(guò)隔離放大濾波后送入DSP的A／D轉換模塊中。CPLD接收由DSP發(fā)出的邏輯控制時(shí)序，控制相應的固態(tài)繼電器執行導通和關(guān)斷動(dòng)作，分時(shí)地將各個(gè)模擬量導入A／D轉換模塊中?？紤]到電池組總電壓比較高，同時(shí)母線(xiàn)電流的波動(dòng)幅值比較大，波動(dòng)頻率較快，分別選用了精度較高、響應較快的霍爾電壓和電流傳感器，以適應采集要求。

　　電池組溫度的采集采用單總線(xiàn)的方式，傳感器選用DSl8820，共設置8個(gè)溫度的采集點(diǎn)。單總線(xiàn)是目前擴展最方便的總線(xiàn)之一，具有節省I／O口線(xiàn)資源、結構簡(jiǎn)單、成本低廉，便于總線(xiàn)擴展和維護等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于DS18820直接提供測量溫度的數字信號，故可以直接通過(guò)DSP上的通用I/O與其通信。

　　在DSP的通用I／O上擴展了非易失性存儲器NVRAM空間，目的是保存重要的電池歷史數據，為計算和修正電池的SoC以及分析電池充放電狀態(tài)提供可靠的依據。

　　LF2407提供的CAN通信模塊符合CAN2．0的規格要求，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為DSP的CAN控制器和物理總線(xiàn)間接口，以實(shí)現電池管理系統與整車(chē)之間的通信；同時(shí)，擴展DSP片上的SCI模塊，實(shí)現與上位PC間的通信功能。

　　1．3 硬件抗干擾措施

　　電池管理系統作為整車(chē)的一部分，經(jīng)常受到各種電磁干擾。其實(shí)際的工作環(huán)境是比較惡劣的，有必要在硬件設計上采取一定的抗干擾措施。

　?、僖种聘蓴_源?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上電機設備中的IGBT和功率二極管工作時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾，尤其是共模干擾較為嚴重。因此有必要在電池組與整車(chē)之間連接高頻旁路電容。

　?、诟綦x供電。由于眾多的外部有源和無(wú)源信號會(huì )對系統電源產(chǎn)生嚴重干擾，因此在電池管理系統的設計中采用DC／DC變換模塊，提供穩定的隔離電源，對不同子系統分別供電，可以有效地消除電源干擾和共地產(chǎn)生的干擾。

　?、酃怆姼綦x。在電池管理系統的設計中，采用光電耦合器6N137將外部通信接口(CAN通信、RS232通信)與內部CPU電路隔離開(kāi)來(lái)，可以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

　　2 軟件系統設計

　　軟件系統設計包括系統軟件設計和應用軟件設計。系統軟件設計的主要任務(wù)是實(shí)現μC／OS-II在LF2407上的移植；應用軟件設計的主要任務(wù)是系統功能的實(shí)現。

　　2.1 系統軟件設計

　　2.1.1 μC／OS-II簡(jiǎn)介

　　μC／OS-II是由美國人Jean Labrosse編寫(xiě)的一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核。它是一個(gè)基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時(shí)操作系統，其絕大部分源碼是用ANSI C編寫(xiě)的。μC／OS-II支持56個(gè)用戶(hù)任務(wù)，支持信號量、消息郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程間通信機制，現已成功應用到眾多商業(yè)嵌入式系統中，其穩定性與可靠性已經(jīng)得到檢驗。

　　2.1.2 μC／OS-II在TMS320LF2407上的移植

　　LF2407滿(mǎn)足μC／OS-II移植的條件。TI公司提供的編譯軟件CCS也支持C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。要完成移植的工作需要進(jìn)行以下4個(gè)內容：

　　◇在OS_CPU．H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數據類(lèi)型。

　　◇調整和修改頭文件OS_CFG．H，以裁減或修改μC／OS-II的系統服務(wù)，減少資源損耗。

　　◇編寫(xiě)C語(yǔ)言文件OS_CPU．C。

　　◇編寫(xiě)匯編語(yǔ)言文件OS_CPU．ASM。

　　上述工作完成后，μC／OS-II就可以運行了。

　　2.2 應用軟件設計

　　2．2．1 系統多任務(wù)功能和優(yōu)先級設計

　　根據電池管理系統的功能要求，將系統分為電壓電流采集處理模塊、溫度采集模塊、通信模塊、系統監視模塊和SoC計算模塊等共8個(gè)任務(wù)和5個(gè)中斷來(lái)實(shí)現。每個(gè)任務(wù)根據其實(shí)時(shí)性的要求并參照單調執行率調度法RMS分配一定的優(yōu)先級。任務(wù)及中斷的定義分別如表l、表2所列。

　　根據整車(chē)控制策略，CAN上電池狀態(tài)數據每幀的刷新周期為20ms，故設置操作系統時(shí)鐘節拍為20ms；相應地設置ADProsTask()、CANTXDTask()、SOCTask()和MoniTask()的執行周期均為20 ms；考慮到電池組的溫度變化相對較慢，同時(shí)溫度傳感器DS18820的溫度轉換時(shí)間相對較長(cháng)，設置TempTask()的執行周期為100ms；CANRXDTask()和SCIRXDTask()的執行采用中斷觸發(fā)方式；SCITXDTask()由上位機的啟動(dòng)和停止信號控制執行，執行周期為40 ms。

　　應用軟件設計的難點(diǎn)在于，可靠地設計固態(tài)繼電器陣列(TLP296)的時(shí)序邏輯。由于TLP296存在最大4ms的打開(kāi)和關(guān)斷時(shí)間，因此必須設計死區時(shí)間，以確保在采集電池模塊電壓時(shí)，電池不會(huì )發(fā)生短路；同時(shí)還要保證在A(yíng)／D轉換之前，采樣通道(即相應的TLP296)完全打開(kāi)。所以利用了DSP的Timerl下溢中斷配合系統時(shí)鐘周期來(lái)有效地控制CPLD的時(shí)序。整體工作的時(shí)序邏輯如圖3所示。

　　2.2.2 任務(wù)間的通信與同步

　　μC／OS-II提供了5種用于數據共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱、消息隊列、事件標志及互斥型信號量。為了減少操作系統的開(kāi)支，在電池管理系統應用軟件設計中只利用了其中的郵箱作為任務(wù)間的通信手段，如圖4所示。

電池管理系統的核心是以數據采集為基礎的，所以ADProsTask()是其他任務(wù)的前提。通過(guò)ADC中斷向郵箱1發(fā)消息就緒ADProsTask()，待其執行完后相應的數據保存和處理后向郵箱2發(fā)消息就緒其他等待數據的任務(wù)，其他任務(wù)按照優(yōu)先級依次執行；溫度采集和處理的任務(wù)獨立進(jìn)行；CAN接收任務(wù)和SCI任務(wù)是在相應的郵箱中得到消息后執行，消息也是由相應的中斷服務(wù)程序發(fā)出。