基于SD卡的BMS海量歷史數據存儲系統

動力電池作為混合動力電動汽車的關鍵零部件之一，由于其一致性差等原因易導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整和優(yōu)化控制器中的控制參數，需要收集大量的工作數據，以便離線分析電池性能以及進行系統標定。傳統的收集數據方法通常是利用串口或CAN總線將即時數據讀入計算機，但是該方法還局限于實驗階段，一般需要PC機參與，在實際工作中的數據較難獲得。國外有公司生產的基于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上配置方便的特點，本文設計了一種小巧的應用于電池管理系統的海量歷史數據存儲系統，采用標準Windows系統FAT32文件格式存儲，可以方便將數據導入到計算機中。一次換卡可以記錄1年的數據，為電池管理系統和電池特性的研究準備了大量第一手數據。

1 SD卡硬件電路設計

SD是新一代半導體存儲設備卡，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10MB／s(4位數據線并用)，并且提供了SD和SPI兩種通信模式。在使用時，主機只能通過其中一種方式與SD卡進行通信，該模式通過上電后檢測Reset命令來決定。本系統采用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。

2 軟件程序設計

軟件設計主要難點是SD卡驅動與FAT32文件系統的結合方式設計。FAT32文件系統的實現有一定的復雜性，如果設計地不好不但會浪費大量CPU資源，而且可能造成數據丟失、覆蓋等嚴重后果。采用傳統數據流式程序設計思想實現起來比較困難，Debug也很不方便。本設計引用現代Windows操作系統慣用的層次模型劃分的方法開發(fā)了一套基于SD卡的FAT32文件系統協議包，具有層次分明、結構緊湊、可移植性強及邏輯清晰的特點。

2．1 FAT32文件系統

FAT32是由Microsoft設計并運用得非常成功的文件系統。至今FAT32依然占據著Microsoft Windows文件系統中重要的地位。FAT32改進了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。由引導扇區(qū)、FAT表、根目錄和數據區(qū)4大部分組成。圖3標出了FAT32分區(qū)的基本構成，FAT2是FAT1的備份，用于在FAT1損壞時修復。

FAT表(File Allocation Table文件分配表)記錄文件在介質上的放置位置，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……，至到標記FF表示文件結束。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存儲介質的空間，并且可以保證存放BMS采集數據不會發(fā)生重疊，沖掉以前數據。表3列出了FAT表各記錄項的取值含義。


系統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表中找出這相應個數的空閑簇，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文件系統目錄的記錄項的結構定義如表4所示。

2．2 SD卡SPI通信協議

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進制碼0x40進行或運算得到。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，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。

2．3 下位機軟件設計

下位機SD存儲卡驅動程序采用層次化的方法設計，從下到上的關系如圖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相關的，SD卡命令集則實現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文件系統層使用。FAT32文件系統層即實現了按照FAT32文件系統要求的文件存儲方案。最上層是BMS應用層，負責將BMS系統采集的電池包狀態(tài)信息打包并以FAT32形式存儲到SD卡上。因為本系統只需要文件保存功能，故FAT32文件系統層和SD卡硬層都做了精簡處理，這樣明顯減少了驅動設計時的復雜程度。

3 數據處理

電動汽車在運行時，BMS會連續(xù)產生大量的監(jiān)測數據，這些數據分可為監(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、動力電池箱內的模塊電壓和溫度等；診斷量為BMS對實時量的處理結果，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的數據。

記錄的歷史數據對于電池工藝優(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分布分析可以得到ISG電機的工作狀況；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 結論

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