基于μC／OS-II的電動車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

引 言
電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)是電動汽車的一項關(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(yù)測電池荷電狀態(tài)(State of charge)，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(gòu)建電池管理系統(tǒng)的硬件平臺，并在DSP內(nèi)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(yīng)能力，增強系統(tǒng)的可擴展性和可移植性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
1．1 集中式電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
混合動力電動汽車HEV(Hybrid Electric Vehicle)要求的車載動力電池總電壓一般比較高，電池節(jié)數(shù)較多。本設(shè)計所涉及的鎳氫動力電池組是由270個電池單體組成的，每個單體可提供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(jié)構(gòu)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(shè)計多路控制選擇開關(guān)分時完成數(shù)據(jù)采集。這種設(shè)計方法具有電路簡單、成本低、體積小的特點。設(shè)計的電池管理系統(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。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(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器；廣泛采用流水線操作，可用來實現(xiàn)快速的數(shù)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(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。
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(guān)固態(tài)繼電器陣列分時導(dǎo)通，將采樣信號經(jīng)過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)出的邏輯控制時序，控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器執(zhí)行導(dǎo)通和關(guān)斷動作，分時地將各個模擬量導(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(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(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。由于DS18820直接提供測量溫度的數(shù)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(shù)據(jù)，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(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(jīng)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(shè)計上采取一定的抗干擾措施。
①抑制干擾源?；旌蟿恿﹄妱悠嚿想姍C設(shè)備中的IGBT和功率二極管工作時，會產(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)電源產(chǎn)生嚴重干擾，因此在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計中采用DC／DC變換模塊，提供穩(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產(chǎn)生的干擾。
③光電隔離。在電池管理系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)部CPU電路隔離開來，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
軟件系統(tǒng)設(shè)計包括系統(tǒng)軟件設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是實現(xiàn)μC／OS-II在LF2407上的移植；應(yīng)用軟件設(shè)計的主要任務(wù)是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。
2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1.1 μC／OS-II簡介
μC／OS-II是由美國人Jean Labrosse編寫的一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)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ANSI C編寫的。μC／OS-II支持56個用戶任務(wù)，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(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。
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語言與匯編語言混合編程。要完成移植的工作需要進行以下4個內(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語言文件OS_CPU．C。
◇編寫匯編語言文件OS_CPU．ASM。
上述工作完成后，μC／OS-II就可以運行了。
2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計
2．2．1 系統(tǒng)多任務(wù)功能和優(yōu)先級設(shè)計
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計算模塊等共8個任務(wù)和5個中斷來實現(xiàn)。每個任務(wù)根據(jù)其實時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。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較慢，同時溫度傳感器DS18820的溫度轉(zhuǎn)換時間相對較長，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()由上位機的啟動和停止信號控制執(zhí)行，執(zhí)行周期為40 ms。
應(yīng)用軟件設(shè)計的難點在于，可靠地設(shè)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(guān)斷時間，因此必須設(shè)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(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(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(yīng)用軟件設(shè)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(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)先級依次執(zhí)行；溫度采集和處理的任務(wù)獨立進行；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
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、可靠性強的特點。由于內(nèi)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(yīng)用中取得了良好的效果。