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基于μC／OS-II的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)設計

鉅大LARGE  |  點擊量：762次  |  2021年04月29日  

摘要介紹一種基于數字信號處理器TMS320LF2407和復雜可縞程邏輯器EMp7128實現(xiàn)的混合動力電動汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)設計；采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II為系統(tǒng)軟件平臺，論述電池管理系統(tǒng)中的多任務設計。該設計方法提高了系統(tǒng)運行的可靠性，有利于系統(tǒng)功能的擴展。關鍵詞電池管理混合動力電動汽車TMS320LF2407μC／OS-II

引言電池管理系統(tǒng)BMS(BatteryManagementSystem)是電動汽車的一項關鍵技術。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)可實時監(jiān)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)(Stateofcharge)，防止電池過充過放，從而達到提升電池使用性能和壽命，提高混合動力汽車的可靠性和安全性的目的。本沒計以DSp和CpLD為主體，構建電池管理系統(tǒng)的硬件平臺，并在DSp內部嵌入μC／OS-II實時操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時響應能力，增強系統(tǒng)的可擴展性和可移植性。
1硬件系統(tǒng)設計1．1集中式電池管理系統(tǒng)結構混合動力電動汽車HEV(HybridElectricVehicle)要求的車載動力鋰電池總電壓一般比較高，電池節(jié)數較多。本設計所涉及的鎳氫動力鋰電池組是由270個電池單體組成的，每個單體可供應1．2V左右電壓。其中每10個單體元組成一個模塊，共有27個電池模塊，總額定電壓為324V。采用集中式電池管理系統(tǒng)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，通過設計多路控制選擇開關分時完成數據采集。這種設計方法具有電路簡單、成本低、體積小的特點。設計的電池管理系統(tǒng)基本結構示意圖如圖1所示。
1．2電池管理系統(tǒng)的硬件方法圖2為系統(tǒng)硬件平臺。選用TI公司的TMS240LF2407(簡稱為“LF2407”)作為系統(tǒng)的CpU。其核心采用哈佛結構，具有專門的硬件乘法器；廣泛采用流水線操作，可用來實現(xiàn)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，片上集成了豐富的外設(如A／D轉換器、SCI模塊和CAN網絡控制器等)，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，通過一定的邏輯控制，控制光電開關固態(tài)繼電器陣列分時導通，將采樣信號經過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)出的邏輯控制時序，控制相應的固態(tài)繼電器執(zhí)行導通和關斷動作，分時地將各個模擬量導入A／D轉換模塊中?？紤]到電池組總電壓比較高，同時母線電流的波動幅值比較大，波動頻率較快，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的方式，傳感器選用DSl8820，共設置8個溫度的采集點。單總線是目前擴展最方便的總線之一，具有節(jié)省I／O口線資源、結構簡單、成本低廉，便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。由于DS18820直接供應測量溫度的數字信號，故可以直接通過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)供應可靠的依據。LF2407供應的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，以實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整車之間的通信；同時，擴展DSp片上的SCI模塊，實現(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，經常受到各種電磁干擾。其實際的工作環(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。①抑制干擾源。混合動力電動汽車上電機設備中的IGBT和功率二極管工作時，會出現(xiàn)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源信號會對系統(tǒng)電源出現(xiàn)嚴重干擾，因此在電池管理系統(tǒng)的設計中采用DC／DC變換模塊，供應穩(wěn)定的隔離電源，對不同子系統(tǒng)分別供電，可以有效地消除電源干擾和共地出現(xiàn)的干擾。③光電隔離。在電池管理系統(tǒng)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電路隔離開來，可以阻止電路性耦合出現(xiàn)的電磁干擾。
2軟件系統(tǒng)設計軟件系統(tǒng)設計包括系統(tǒng)軟件設計和應用軟件設計。系統(tǒng)軟件設計的重要任務是實現(xiàn)μC／OS-II在LF2407上的移植；應用軟件設計的重要任務是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。2.1系統(tǒng)軟件設計2.1.1μC／OS-II簡介μC／OS-II是由美國人JeanLabrosse編寫的一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內核。它是一個基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實時操作系統(tǒng)，其絕大部分源碼是用ANSIC編寫的。μC／OS-II支持56個用戶任務，支持信號量、消息郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制，現(xiàn)已成功應用到眾多商業(yè)嵌入式系統(tǒng)中，其穩(wěn)定性與可靠性已經得到檢驗。2.1.2μC／OS-II在TMS320LF2407上的移植LF2407滿足μC／OS-II移植的條件。TI公司供應的編譯軟件CCS也支持C語言與匯編語言混合編程。要完成移植的工作要進行以下4個內容：◇在OS_CpU．H中含義與處理器相關的常量、宏及數據類型?！笳{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，減少資源損耗?！缶帉慍語言文件OS_CpU．C?！缶帉憛R編語言文件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(tǒng)多任務功能和優(yōu)先級設計根據電池管理系統(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計算模塊等共8個任務和5個中斷來實現(xiàn)。每個任務根據其實時性的要求并參照單調執(zhí)行率調度法RMS分配一定的優(yōu)先級。任務及中斷的含義分別如表l、表2所列。
根據整車控制策略，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(tǒng)時鐘節(jié)拍為20ms；相應地設置ADprosTask()、CANTXDTask()、SOCTask()和MoniTask()的執(zhí)行周期均為20ms；考慮到電池組的溫度變化相對較慢，同時溫度傳感器DS18820的溫度轉換時間相對較長，設置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()由上位機的啟動和停止信號控制執(zhí)行，執(zhí)行周期為40ms。應用軟件設計的難點在于，可靠地設計固態(tài)繼電器陣列(TLp296)的時序邏輯。由于TLp296存在最大4ms的打開和關斷時間，因此必須設計死區(qū)時間，以確保在采集電池模塊電壓時，電池不會發(fā)生短路；同時還要保證在A／D轉換之前，采樣通道(即相應的TLp296)完全打開。所以利用了DSp的Timerl下溢中斷配合系統(tǒng)時鐘周期來有效地控制CpLD的時序。整體工作的時序邏輯如圖3所示。
2.2.2任務間的通信與同步μC／OS-II供應了5種用于數據共享和任務通信的方法：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(tǒng)的開支，在電池管理系統(tǒng)應用軟件設計中只利用了其中的郵箱作為任務間的通信手段，如圖4所示。
電池管理系統(tǒng)的核心是以數據采集為基礎的，所以ADprosTask()是其他任務的前提。通過ADC中斷向郵箱1發(fā)消息就緒ADprosTask()，待其執(zhí)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，其他任務按照優(yōu)先級依次執(zhí)行；溫度采集和處理的任務獨立進行；CAN接收任務和SCI任務是在相應的郵箱中得到消息后執(zhí)行，消息也是由相應的中斷服務程序發(fā)出。
結語電池管理系統(tǒng)采用了DSp+CpLD的結構，加之相應的抗干擾措施，具有性能高、可靠性強的特點。由于內嵌μC／OS-II，使程序的開發(fā)周期大大縮短，增強了系統(tǒng)的可維護性和擴展性，在實際的應用中取得了良好的效果。

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