基于SD卡的BMS海量歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計

摘要：動力電池是電動汽車的核心部件之一。為了獲取動力電池隨車工作時的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而為優(yōu)化控制參數(shù)提供參考，本文利用SD存儲卡設(shè)計了一種2 G容量的電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)隨車數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速SPI方式與SD卡通信，并使用精簡的層次化SD卡驅(qū)動模型；數(shù)據(jù)采用與PC機(jī)操作系統(tǒng)相兼容的FAT32文件格式存儲。實驗表明，該系統(tǒng)實時性好，可靠性高。
關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；SD卡；FAT32；數(shù)據(jù)存儲

    動力電池作為混合動力電動汽車的關(guān)鍵零部件之一，由于其一致性差等原因易導(dǎo)致整組電池性能下降，從而直接影響到整車的可靠性與安全性。為了滿足實際的整車控制需求而調(diào)整和優(yōu)化控制器中的控制參數(shù)，需要收集大量的工作數(shù)據(jù)，以便離線分析電池性能以及進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。傳統(tǒng)的收集數(shù)據(jù)方法通常是利用串口或CAN總線將即時數(shù)據(jù)讀入計算機(jī)，但是該方法還局限于實驗階段，一般需要PC機(jī)參與，在實際工作中的數(shù)據(jù)較難獲得。國外有公司生產(chǎn)的基于CAN總線的行車記錄儀，體積較大且價格昂貴，僅適用于整車廠研發(fā)新車時使用。利用SD卡(Se-cure Digital Memory Card)輕巧、傳輸速度高、容量大、成本低、讀寫方便的優(yōu)點，以及在原有電池管理系統(tǒng)上配置方便的特點，本文設(shè)計了一種小巧的應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的海量歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)FAT32文件格式存儲，可以方便將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)中。一次換卡可以記錄1年的數(shù)據(jù)，為電池管理系統(tǒng)和電池特性的研究準(zhǔn)備了大量第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

1 SD卡硬件電路設(shè)計
    SD是新一代半導(dǎo)體存儲設(shè)備卡，其外形及引腳定義如圖1、表1所示。SD卡工作電壓為2．0～3．6 V，最大讀寫速度達(dá)10MB／s(4位數(shù)據(jù)線并用)，并且提供了SD和SPI兩種通信模式。在使用時，主機(jī)只能通過其中一種方式與SD卡進(jìn)行通信，該模式通過上電后檢測Reset命令來決定。本系統(tǒng)采用SPI方式操作SD卡，因為該方式具有接口電路簡單(DSP芯片TMS320LF2407A提供SPI接口)，并且通信協(xié)議也十分簡潔的優(yōu)點。因為DSP芯片TMS320LF2407A的SPI模塊高電平剛好是3．3 V，所以SD卡座可直接與TMS320LF2407A的SPI引腳連接，其連線方式如圖2所示。

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2 軟件程序設(shè)計
    軟件設(shè)計主要難點是SD卡驅(qū)動與FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)合方式設(shè)計。FAT32文件系統(tǒng)的實現(xiàn)有一定的復(fù)雜性，如果設(shè)計地不好不但會浪費大量CPU資源，而且可能造成數(shù)據(jù)丟失、覆蓋等嚴(yán)重后果。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流式程序設(shè)計思想實現(xiàn)起來比較困難，Debug也很不方便。本設(shè)計引用現(xiàn)代Windows操作系統(tǒng)慣用的層次模型劃分的方法開發(fā)了一套基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)協(xié)議包，具有層次分明、結(jié)構(gòu)緊湊、可移植性強(qiáng)及邏輯清晰的特點。
2．1 FAT32文件系統(tǒng)
    FAT32是由Microsoft設(shè)計并運用得非常成功的文件系統(tǒng)。至今FAT32依然占據(jù)著Microsoft Windows文件系統(tǒng)中重要的地位。FAT32改進(jìn)了FAT16和FAT12不支持大分區(qū)、單位簇的容量過大以致空間急劇浪費等缺點。由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)4大部分組成。圖3標(biāo)出了FAT32分區(qū)的基本構(gòu)成，F(xiàn)AT2是FAT1的備份，用于在FAT1損壞時修復(fù)。

    FAT表(File Allocation Table文件分配表)記錄文件在介質(zhì)上的放置位置，即簇號序列。每個表項記錄的簇號都是32位的，故這個方法稱為FAT32。表2所示是一段簡化的FAT表，第2簇記錄根目錄存放位置，第3簇記錄某文件存儲的下一簇號(該文件從本簇即第3簇開始存放)是6號，第6號又記錄接下來的簇號……，至到標(biāo)記FF表示文件結(jié)束。同樣道理從第12簇開始存放另一個文件，該文件在第93簇存放結(jié)束。從表
中可以看出文件是可以非連續(xù)存放的，這樣可以充分利用SD存儲介質(zhì)的空間，并且可以保證存放BMS采集數(shù)據(jù)不會發(fā)生重疊，沖掉以前數(shù)據(jù)。表3列出了FAT表各記錄項的取值含義。

    系統(tǒng)在存儲一個文件時先計算出需要幾個簇的空間來存放，再從FAT表中找出這相應(yīng)個數(shù)的空閑簇，并其修改記錄項的取值使之首尾連成一串。然后在目錄表中創(chuàng)建一個新的文件項，并記錄它在介質(zhì)上存放的首簇號。這樣在讀文件時，只要直接從目錄表中找到該文件的記錄項，獲取它的首簇號就能把文件讀出來了。FAT32文件系統(tǒng)目錄的記錄項的結(jié)構(gòu)定義如表4所示。

2．2 SD卡SPI通信協(xié)議
    發(fā)送給SD卡的命令采用6字節(jié)的格式如表5所示。命令的第1個字節(jié)可通過將6位命令碼與16進(jìn)制碼0x40進(jìn)行或運算得到。如果命令需要，則在接下來的4個字節(jié)中提供一個32位的參數(shù)，最后1個字節(jié)包含了從第1個字節(jié)到第5個字節(jié)的CRC-7校驗和。表6列出了部分SD存儲卡SPI命令的解釋。

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2．3 下位機(jī)軟件設(shè)計
    下位機(jī)SD存儲卡驅(qū)動程序采用層次化的方法設(shè)計，從下到上的關(guān)系如圖4所示。下一層提供面向上一層的接口支持。其中SPI硬件層是與BMS中所采用的芯片TMS320LF2407A相關(guān)的，SD卡命令集則實現(xiàn)DSP與SD存儲卡通信需要的SPI命令集的子集，SD卡API層包裝好SD卡命令集，使其便于FAT32文件系統(tǒng)層使用。FAT32文件系統(tǒng)層即實現(xiàn)了按照FAT32文件系統(tǒng)要求的文件存儲方案。最上層是BMS應(yīng)用層，負(fù)責(zé)將BMS系統(tǒng)采集的電池包狀態(tài)信息打包并以FAT32形式存儲到SD卡上。因為本系統(tǒng)只需要文件保存功能，故FAT32文件系統(tǒng)層和SD卡硬層都做了精簡處理，這樣明顯減少了驅(qū)動設(shè)計時的復(fù)雜程度。

3 數(shù)據(jù)處理
    電動汽車在運行時，BMS會連續(xù)產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分可為監(jiān)測量和診斷量。監(jiān)測量為實時測量動力母線上的電壓、電流、動力電池箱內(nèi)的模塊電壓和溫度等；診斷量為BMS對實時量的處理結(jié)果，包括SOC、SOH和故障碼等。如表7所示為記錄安裝在某輛混合動力轎車上的144 V鎳氫RMS的數(shù)據(jù)。

    記錄的歷史數(shù)據(jù)對于電池工藝優(yōu)化、整車控制器(VMS)研發(fā)以及BMS研發(fā)都有重要意義。如對所記錄的總電壓、總電流以及SOC單獨繪圖如圖5所示。對總電流的大小和正負(fù)分布分析可以得到ISG電機(jī)的工作狀況；對SOC分析可以得到整車控制器(VMS)控制策略的效率；對總電壓分析可以得到電池的性能信息。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計的基于PSD卡技術(shù)實現(xiàn)的動力汽車電池管理系統(tǒng)海量歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，解決了以往電池管理系統(tǒng)在線工作數(shù)據(jù)難以獲得的問題。為電池管理系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了大量的工作狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，有助于提高系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)確性，并為電動汽車用電池包特性的建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實驗證明，采用經(jīng)過精簡的SD存儲卡驅(qū)動模型有以下特點：存儲數(shù)據(jù)速度快，不影響正常電池管理工作；容錯性好，可能會出現(xiàn)
較多小體積文件，但無數(shù)據(jù)丟失的情況。經(jīng)過實驗驗證，在數(shù)據(jù)記錄周期為10 ms的情況下，采用2 G容量的SD卡，可以不間斷地記錄xx年的歷史數(shù)據(jù)。