基于μC／OS-II的電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 介紹一種基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407和復(fù)雜可縞程邏輯器EMP7128實(shí)現(xiàn)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)；采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，論述電池管理系統(tǒng)中的多任務(wù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞 電池管理 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 TMS320LF2407 μC／OS-II

引 言
    電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)是電動(dòng)汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)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(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，如電池電壓、充放電電流、使用溫度等；預(yù)測(cè)電池荷電狀態(tài)(State of charge)，防止電池過(guò)充過(guò)放，從而達(dá)到提升電池使用性能和壽命，提高混合動(dòng)力汽車的可靠性和安全性的目的。本沒計(jì)以DSP和CPLD為主體，構(gòu)建電池管理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并在DSP內(nèi)部嵌入μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 集中式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    混合動(dòng)力電動(dòng)汽車HEV(Hybrid Electric Vehicle)要求的車載動(dòng)力電池總電壓一般比較高，電池節(jié)數(shù)較多。本設(shè)計(jì)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(tǒng)結(jié)構(gòu)是將電池信息測(cè)量與采樣模塊和主控模塊集中在一起，通過(guò)設(shè)計(jì)多路控制選擇開關(guān)分時(shí)完成數(shù)據(jù)采集。這種設(shè)計(jì)方法具有電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1．2 電池管理系統(tǒng)的硬件方案
    圖2為系統(tǒng)硬件平臺(tái)。選用TI公司的TMS240LF2407(簡(jiǎn)稱為“LF2407”)作為系統(tǒng)的CPU。其核心采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器；廣泛采用流水線操作，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號(hào)處理算法，有助于提高計(jì)算電池SoC值的速度和精度；同時(shí)，片上集成了豐富的外設(shè)(如A／D轉(zhuǎn)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(shì)。
    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，控制光電開關(guān)固態(tài)繼電器陣列分時(shí)導(dǎo)通，將采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大濾波后送入DSP的A／D轉(zhuǎn)換模塊中。CPLD接收由DSP發(fā)出的邏輯控制時(shí)序，控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器執(zhí)行導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)作，分時(shí)地將各個(gè)模擬量導(dǎo)入A／D轉(zhuǎn)換模塊中。考慮到電池組總電壓比較高，同時(shí)母線電流的波動(dòng)幅值比較大，波動(dòng)頻率較快，分別選用了精度較高、響應(yīng)較快的霍爾電壓和電流傳感器，以適應(yīng)采集要求。
    電池組溫度的采集采用單總線的方式，傳感器選用DSl8820，共設(shè)置8個(gè)溫度的采集點(diǎn)。單總線是目前擴(kuò)展最方便的總線之一，具有節(jié)省I／O口線資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于DS18820直接提供測(cè)量溫度的數(shù)字信號(hào)，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(kuò)展了非易失性存儲(chǔ)器NVRAM空間，目的是保存重要的電池歷史數(shù)據(jù)，為計(jì)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(jù)。
    LF2407提供的CAN通信模塊符合CAN2．0的規(guī)格要求，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為DSP的CAN控制器和物理總線間接口，以實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車之間的通信；同時(shí)，擴(kuò)展DSP片上的SCI模塊，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)作為整車的一部分，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(shè)計(jì)上采取一定的抗干擾措施。
    ①抑制干擾源?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車上電機(jī)設(shè)備中的IGBT和功率二極管工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，尤其是共模干擾較為嚴(yán)重。因此有必要在電池組與整車之間連接高頻旁路電容。
    ②隔離供電。由于眾多的外部有源和無(wú)源信號(hào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)電源產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，因此在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用DC／DC變換模塊，提供穩(wěn)定的隔離電源，對(duì)不同子系統(tǒng)分別供電，可以有效地消除電源干擾和共地產(chǎn)生的干擾。
    ③光電隔離。在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用光電耦合器6N137將外部通信接口(CAN通信、RS232通信)與內(nèi)部CPU電路隔離開來(lái)，可以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)μC／OS-II在LF2407上的移植；應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1.1 μC／OS-II簡(jiǎn)介
    μC／OS-II是由美國(guó)人Jean Labrosse編寫的一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其絕大部分源碼是用ANSI C編寫的。μC／OS-II支持56個(gè)用戶任務(wù)，支持信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制，現(xiàn)已成功應(yīng)用到眾多商業(yè)嵌入式系統(tǒng)中，其穩(wěn)定性與可靠性已經(jīng)得到檢驗(yàn)。
2.1.2 μC／OS-II在TMS320LF2407上的移植
    LF2407滿足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(nèi)容：
    ◇在OS_CPU．H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)類型。
    ◇調(diào)整和修改頭文件OS_CFG．H，以裁減或修改μC／OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，減少資源損耗。
    ◇編寫C語(yǔ)言文件OS_CPU．C。
    ◇編寫匯編語(yǔ)言文件OS_CPU．ASM。
    上述工作完成后，μC／OS-II就可以運(yùn)行了。
2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
2．2．1 系統(tǒng)多任務(wù)功能和優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)
    根據(jù)電池管理系統(tǒng)的功能要求，將系統(tǒng)分為電壓電流采集處理模塊、溫度采集模塊、通信模塊、系統(tǒng)監(jiān)視模塊和SoC計(jì)算模塊等共8個(gè)任務(wù)和5個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)任務(wù)根據(jù)其實(shí)時(shí)性的要求并參照單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度法RMS分配一定的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)及中斷的定義分別如表l、表2所列。

    根據(jù)整車控制策略，CAN上電池狀態(tài)數(shù)據(jù)每幀的刷新周期為20ms，故設(shè)置操作系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍為20ms；相應(yīng)地設(shè)置ADProsTask()、CANTXDTask()、SOCTask()和MoniTask()的執(zhí)行周期均為20 ms；考慮到電池組的溫度變化相對(duì)較慢，同時(shí)溫度傳感器DS18820的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，設(shè)置TempTask()的執(zhí)行周期為100ms；CANRXDTask()和SCIRXDTask()的執(zhí)行采用中斷觸發(fā)方式；SCITXDTask()由上位機(jī)的啟動(dòng)和停止信號(hào)控制執(zhí)行，執(zhí)行周期為40 ms。
    應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，可靠地設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器陣列(TLP296)的時(shí)序邏輯。由于TLP296存在最大4ms的打開和關(guān)斷時(shí)間，因此必須設(shè)計(jì)死區(qū)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／D轉(zhuǎn)換之前，采樣通道(即相應(yīng)的TLP296)完全打開。所以利用了DSP的Timerl下溢中斷配合系統(tǒng)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(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志及互斥型信號(hào)量。為了減少操作系統(tǒng)的開支，在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)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(tǒng)的核心是以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)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(zhí)行完后相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存和處理后向郵箱2發(fā)消息就緒其他等待數(shù)據(jù)的任務(wù)，其他任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)依次執(zhí)行；溫度采集和處理的任務(wù)獨(dú)立進(jìn)行；CAN接收任務(wù)和SCI任務(wù)是在相應(yīng)的郵箱中得到消息后執(zhí)行，消息也是由相應(yīng)的中斷服務(wù)程序發(fā)出。

結(jié)語(yǔ)
    電池管理系統(tǒng)采用了DSP+CPLD的結(jié)構(gòu)，加之相應(yīng)的抗干擾措施，具有性能高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。由于內(nèi)嵌μC／OS-II，使程序的開發(fā)周期大大縮短，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，在實(shí)際的應(yīng)用中取得了良好的效果。