电动车电池管理系统设计.pdf

1、 I| | |l瞳 | | i I | | l | | 基于ICOSll的电动车电池管理系统设计 北京航空航天大学 文IJ永吉吉 -TF铂金 吴红杰 关键词 电池管理 混合动力电动汽车TMS320LF2407 ucosII 引 言 电池管理系统BMS(Battery Management System)是 电动汽车的一项关键技术。高性能、高可靠性的电池管理 系统能使电池在各种工作条件下获得最佳的性能。电池 管理系统可实时监测电池状态，如电池电压、充放电电流、 使用温度等；预测电池荷电状态(State of Charge)，防止电 池过充过放，从而达到提升电池使用性能和寿命，提高混 合动力汽车的

2、可靠性和安全性的目的。本设计以DSP和 CPLD为主体，构建电池管理系统的硬件平台，并在DSP 内部嵌入uCOSII实时操作系统，可大大提高系统的稳 定性和实时响应能力，增强系统的可扩展性和可移植性。 1 硬件系统设计 11 集中式电池管理系统结构 混合动力电动汽车HEV(Hybrid Electric Vehicle)要 求的车载动力电池总电压一般比较高，电池节数较多。本 设计所涉及的镍氢动力电池组足由270个电池单体组成 的，每个单体可提供l_2 V左右电压。其中每lo个单体元 组成一个模块，共有27个电池模块，总额定电压为324 V。 采用集中式电池管理系统结构是将电池信息测量与 采样模

3、块和主控模块集中在一起，通过设计多路控制选择 开关分时完成数据采集。这种设计方法具有电路简单、成 本低、体积小的特点。设计的电池管理系统基本结构示意 图如图1所示。 12 电池管理系统的硬件方案 陶2为系统硬件平台。选用TI公司的TMs240I F2407 (简称为“I F2407”)作为系统的CPU。其核心采用哈佛结 构，具有专门的硬件乘法器；广泛采用流水线操作，可用来 实现快速的数字信号处理算法口，有助于提高计算电池 SoC值的速度和精度；同时，片上集成了丰富的外设(如 AD转换器、SCI模块和CAN网络控制器等)，可以充分 发挥其资源优势 单体电压、总电压和总电流的采集，均以CPLD为核

4、 心，通过一定的逻辑控制，控制光电开关固态继电器阵列 分时导通，将采样信号经过隔离放大滤波后送入DSP的 AD转换模块中。CPI D接收由DSP发出的逻辑控制时 序，控制相应的固态继电器执行导通和关断动作，分时地 将各个模拟量导入AD转换模块中。考虑到电池组总电 单体电压 总电压 ： CAN 动力 总电流 一 电池 电池组 电池温度 ： 管理系统 一风扇控制信号一 主继电器控制信号 多路一、 单体l 电压l 信号 总电压 总电流 图1 BMS基本结构示意图 b 1_8百 b l l NVRAM 1O位 AD 蔟 络 GPIO l HPCA82 _1CANI _1 C250 图2系统硬件平台 (

5、 232 电池状 控常惦 5 聋；扭j喜 盅：毒O击哺 ， ， r广P-田、 多路选择开关和线性隔离放大电路 维普资讯 http:/ I| |l _ |i；j | l _警 ll | 篙。0| 压比较高，同时母线电流的波动幅值比较大，波动频率较 快，分别选用了精度较高、向应较快的霍尔电压和电流传 感器，以适应采集要求。 电池组温度的采集采用单总线的方式，传感器选用 DS18B20，共设置8个温度的采集点。单总线是目前扩展 最方便的总线之一，具有节省0 13线资源、结构简单、成 本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。由于DS18B20 直接提供测量温度的数字信号，故可以直接通过DSP上 的通用I

6、O与其通信。 在DSP的通用IO上扩展了非易失性存储器 NVRAM空间，目的是保存重要的电池历史数据，为计算 和修正电池的SoC以及分析电池充放电状态提供可靠的 依据。 LF2407提供的CAN通信模块符合cAN20的规格 要求，选用飞利浦公司的CAN通信收发器PCA82C250 作为DSP的CAN控制器和物理总线间接口，以实现电池 管理系统与整车之间的通信；同时，扩展DSP片上的SCI 模块，实现与上位PC间的通信功能。 13硬件抗干扰措施 电池管理系统作为整车的一部分，经常受到各种电磁 干扰。其实际的工作环境是比较恶劣的，有必要在硬件设 计上采取一定的抗干扰措施。 抑制干扰源。混合动力电动

7、汽车上电机设备中的 IGBT和功率二极管工作时，会产生很强的电磁干扰，尤 其足共模 T 扰较为严重。因此有必要在电池组与整车之 间连接高频旁路电容。 隔离供电。由于众多的外部有源和无源信号会对 系统电源产生严重干扰，因此在电池管理系统的设计中采 用DCDC变换模块，提供稳定的隔离电源，对不同子系 统分别供电，_口J以有效地消除电源干扰和共地产生的 干扰。 光电隔离。在电池管理系统的设计中，采用光电 耦合器6N137将外部通信接口(CAN通信、RS232通信) 与内部CPU电路隔离开来，可以阻止电路性耦合产生的 电磁干扰。 2软件系统设计 软件系统设计包括系统软件设计和应用软件设计。 系统软件设

8、计的主要任务是实现ICOSII在LF2407 上的移植；应用软件设计的主要任务是系统功能的实现。 21 系统软件设计 211cosll简介 COSII是由美国人Jean Labrosse编写的一个嵌 入式实时操作系统内核。它是一个基于优先级的、可移 植、可固化、可裁剪、占先式实时操作系统，其绝大部分源 码是用ANSI C编写的。tCOSI1支持56个用户任务， 支持信号量、消息邮箱、消息队列等多种常用的进程问通 信机制，现已成功应用到众多商业嵌入式系统中，其稳定 性与可靠性已经得到检验 。 212c0SII在TM$320LF2407上的移植 LF2407满足tCOSII移植的条件 。TI公司提

9、 供的编译软件CCS也支持c语言与汇编语言混合编 程 。要完成移植的工作需要进行以下4个内容： 在(_)s_CPUH中定义与处理器相关的常董、宏及 数据类型。 调整和修改头文件OSCFGH，以裁减或修改 #COSII的系统服务，减少资源损耗。 编写C语言文件0s_CPUC。 编写汇编语言文件OSCPUASM。 上述工作完成后， c()SII就可以运行了。 22应用软件设计 221 系统多任务功能和优先级设计 根据电池管理系统的功能要求，将系统分为电压电流 采集处理模块、温度采集模块、通信模块、系统监视模块和 SoC计算模块等共8个任务和5个中断来实现。每个任 务根据其实时性的要求并参照单调执行

10、率调度法RMS 分配一定的优先级。任务及中断的定义分别如表l、表2 所列。 表1 系统多任务划分 优先级 任务名 功能描述 完成AD采样数据的滤 2 ADPros、ask() 波和保存任务 4 CANRXDTask() 完成CAN接收任务 5 CANTXDTask() 完成CAN发送任务 7 TempI、ask() 完成温度采集任务 9 SOCTask() 完成So(：计算任务 11 MoniTask() 执行系统监视任务 l3 SCIRXDTask() 完成串口接收数据任务 14 SCITXDTask() 完成串几发送数据任务 表2 中断服务程序描述 中断函数名 函数描述 ADCISR()

11、AD采集中断服务子程序 TlUntiSR() Timerl下溢中断服务子程序 OSTickISR() 操作系统时钟节拍中断子程序 CANISR() CAN总线接收中断服务子程序 SCIISR() 串口通信中断服务子程序 根据整车控制策略，CAN上电池状态数据每帧的刷 新周期为20ms，故设置操作系统时钟节拍为20 ms；相应 地设置ADProsTask()、CANTXDTask()、SOCTask()和 一一ria-毡士田、 M 1_ k 一 5 3 维普资讯 http:/ MoniTask()的执行周期均为20 ms；考虑到电池组的温度 变化相对较慢，同时温度传感器DS18B20的温度转换时

12、 间相对较长，设置TempTask()的执行周期为100 ms； CANRXDTask()和SCIRXDTask()的执行采用中断触发 方式；SCITXDTask()由上位机的启动和停止信号控制执 行，执行周期为40 ms。 应用软件设计的难点在于，可靠地设计固态继电器阵 列(TLP296)的时序逻辑。由于TLP296存在最大4 ms 的打开和关断时间，因此必须设计死区时问，以确保在采 集电池模块电压时，电池不会发生短路；同时还要保证在 AD转换之前，采样通道(即相应的TLP296)完全打开 所以利用了DSP的Timerl下溢中断配合系统时钟周期 来有效地控制CPI D的时序。整体工作的时序逻

13、辑如 图3所示。 发生T1UnflSR() OSTimeTiek l 2 图3时序逻辑图 22 2任务间的通信与同步 ucosII提供了5种用于数据共享和任务通信的 方法：信号量、邮箱、消息队列、事件标志及互斥型信号 量口 。为了减少操作系统的开支，在电池管理系统应用软 件设计中只利用了其中的邮箱作为任务问的通信手段，如 图4所示。 电池管理系统的核心是以数据采集为基础的，所以 ADProsTask()是其他任务的前提 通过ADC中断向邮 箱1发消息就绪ADProsTask()，待其执行完后相应的数 _ |l ll_ -0ll_ 图4任务间的通信 据保存和处理后向邮箱2发消息就绪其他等待数据的

14、任 务，其他任务按照优先级依次执行；温度采集和处理的任 务独立进行；CAN接收任务和SCI任务是在相应的邮箱 中得到消息后执行，消息也是由相应的中断服务程序 发出。 结 语 电池管理系统采用了DSP+CPI D的结构，加之相应 的抗干扰措施，具有性能高、可靠性强的特点。由于内嵌 ucosII，使程序的开发周期大大缩短，增强了系统的可 维护性和扩展性，在实际的应用中取得了良好的 效果。雎 参考文献 Eli刘和平，等TMS320LF240xDSP C语言开发应用北京：北 京航空航天大学出版社，2003 E23邵贝贝嵌入式实时操作系统uCOSII北京：北京航空航 天大学出版社，2003 3uCOSI

15、I在TMS320LF2407A上的移植与应用单片机与 嵌入式系统应用，2003(5)：79 83 4邬可军DSP实时多任务操作系统设计与实现北京；电子 工业出版社，2005 5Texas InstrumentsTMS320C2x2xx5x Optimizing c Compos er I Jsers Guide】999 (收稿日期：20060724) Microchia推出低功耗的入门级PIC18八位闲存 II：IU Microchip(美国微芯科技公司)近日推出包括四款器件的PIC18F4321八位单片机系列 这些器件具有先进外设、低引脚数和 小面积封装选项，同时通过纳瓦技术保持低功耗水平。

16、该系列可为有意采用Microehip PIC18高端八位单片机系列的工程师提供 更具成本效益的入门选择，让他们以更低价格享用更强性能和更多外设；并且提供无缝的升级路径，使用户具有更大存储容量、更多 外设和更强的性能。目前很多电子设计都需要采用具有先进外设但存储量却相对较小的高性能八位单片机。PIC18F4321可提供 两个串行端口，有助于扩展连接性；一个带有13条高速通道和具备自动采集功能的1O位数模转换器，可以快速实现测量，减少编码 开销；其先进的纳瓦技术，有助于降低功耗及延长电池寿命。此外，PIC18F4321所提供的最多8 KB的增强型闪存程序存储器，使其 性价比更为出色。PICI8F4321单片机应用广泛，具体实例包括：电池驱动设备、消费类电子设备、工业测量仪表、通信控制、汽车及 家用电器。 4 聋IbL 工 毒0喜聃 一， 士日、 维普资讯 http:/