基于μC/OS-II的電動車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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(jì)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(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。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(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理算法，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。
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(shí)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(shí)序，控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器執(zhí)行導(dǎo)通和關(guān)斷動作，分時(shí)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(shí)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(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(kuò)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(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。混合動力電動汽車上電機(jī)設(shè)備中的IGBT和功率二極管工作時(shí)，會產(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源信號會對系統(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，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簡介
μC/OS-II是由美國人Jean Labrosse編寫的一個嵌入式實(shí)時(shí)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(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個用戶任務(wù)，支持信號量、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語言與匯編語言混合編程。要完成移植的工作需要進(jìn)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(yùn)行了。
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