用于電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳碩穎，鄭敏信，齊鉑金，楊清森

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

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用于電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳碩穎，鄭敏信，齊鉑金，楊清森

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車不可或缺的部分，為了滿足電池管理系統(tǒng)對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存的需求，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用飛思卡爾HCS08系列的MC9S08DZ60單片機(jī)和容量為2G的SD卡，可以將電池管理系統(tǒng)采集和生成的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到SD卡中。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可自動(dòng)創(chuàng)建文件并無遺漏地記錄CAN總線上每100 ms發(fā)出的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；SD卡; FAT16；電池管理系統(tǒng)

引 言

電動(dòng)汽車由于在節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。動(dòng)力電池組作為一種新能源，是電動(dòng)汽車的能量源和重要組成部分，而電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS)是動(dòng)力電池和整車之間的橋梁[1]。

電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)的基本功能是采集電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，通過對(duì)這些信號(hào)的處理判斷電池的故障狀態(tài)，并進(jìn)行荷電狀態(tài)等的計(jì)算。電池管理系統(tǒng)采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)根據(jù)其不同的處理方式，主要可分為檢測(cè)量和診斷量?jī)深怺2]：檢測(cè)量包括采集的單體電池的電壓、溫度以及電池包的總電流、總電壓等；診斷量是指由主控模塊對(duì)檢測(cè)量進(jìn)行計(jì)算處理后獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如電池荷電狀態(tài)、電池健康狀態(tài)、故障碼等。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以作為電池管理系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，用于對(duì)電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測(cè)量和診斷量進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)這些數(shù)據(jù)有效的記錄有利于離線分析電池性能、進(jìn)行電池故障的診斷以及對(duì)電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，硬件電路部分主要由飛思卡爾公司的MC9S08DZ60單片機(jī)和SanDisk公司的SD卡組成。通過單片機(jī)接收CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)至SD卡內(nèi)。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 單片機(jī)選用

HCS08系列單片機(jī)兼?zhèn)涓咝阅芎偷凸牡奶攸c(diǎn)，選用32引腳的MC9S08DZ60，其優(yōu)勢(shì)在于：片內(nèi)置8位CPU，總線頻率可達(dá)20 MHz，運(yùn)算速度完全可以滿足SD卡高速讀寫的需求；有60 KB Flash和4 KB RAM，可以滿足高速通信和海量運(yùn)算的需求；片內(nèi)串行外圍接口SPI可用于與SD卡之間通信，其高電平為3.3 V，滿足SD卡工作電壓；具有多達(dá)32個(gè)中斷，包括2個(gè)CAN中斷，可以實(shí)現(xiàn)BMS與存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的高速通信。

1.2 SD讀寫設(shè)計(jì)

SD卡是一種基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)設(shè)備，體積很小但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性等特點(diǎn)。工作電壓范圍為2.0～3.6 V，可變時(shí)鐘頻率為0～25 MHz，并可實(shí)現(xiàn)10萬次編程/擦除[3]。

表1 SD卡在SPI模式下引腳定義

注：類型中S為電源；I為輸入；O為推挽輸出；PP為推挽I/O。

圖2 SD卡硬件連接電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件程序以數(shù)據(jù)寫入SD卡的存儲(chǔ)程序?yàn)楹诵?，其程序具有層次性，從下往上依次設(shè)計(jì)為SD卡的硬件驅(qū)動(dòng)、FAT文件系統(tǒng)和BMS對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用。其整體過程流程如圖3所示，其中SD卡的初始化和寫操作以及FAT文件系統(tǒng)的使用將進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)整體程序流程

2.1 SD卡的驅(qū)動(dòng)

MC9S08DZ60與SD卡通過SPI通信，MC9S08DZ60發(fā)送命令至SD卡后，SD卡會(huì)響應(yīng)返回值，返回值正確則實(shí)現(xiàn)操作命令。其中發(fā)送的所有CMD命令長(zhǎng)度都是6字節(jié)，通用的命令格式如表2所列。具體包括起始位“01”和結(jié)束位“1”。SPI數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)過程中未使用CRC校驗(yàn)。

表2 CMD命令格式

通過對(duì)CMD命令集的調(diào)用可實(shí)現(xiàn)多種功能，如對(duì)SD卡的初始化，對(duì)SD卡狀態(tài)的讀取以及數(shù)據(jù)的讀寫和擦除。SD卡的初始化以調(diào)用基本命令為主，其流程如圖4所示。

圖4 SD卡初始化流程圖

SD卡以單個(gè)塊即512字節(jié)進(jìn)行讀寫，通過發(fā)送讀命令CMD17和寫命令CMD24，完成讀寫流程，如圖5所示。相似地，可通過發(fā)送多塊讀/寫命令CMD18和CMD25分別對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀和寫操作。

圖5 SD卡讀/寫流程圖

2.2 FAT文件系統(tǒng)

FAT文件系統(tǒng)[6]在建立低于32G的FAT文件系統(tǒng)時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、兼容性好等不可忽視的特點(diǎn)。FAT16相比于FAT32，其目錄區(qū)大小和偏移地址固定，但16位的FAT區(qū)將一個(gè)文件的大小限制于2G。由于使用的SD卡自身容量有限，而FAT16的程序編寫更為簡(jiǎn)單易行，因而在本設(shè)計(jì)中采用FAT16文件系統(tǒng)。

若將SD卡格式化為FAT16格式，則根據(jù)卡內(nèi)的地址分為5個(gè)區(qū)：主引導(dǎo)記錄區(qū)MBR、系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)DBR、文件配置表FAT1及其備份FAT2、目錄區(qū)DIR和DATA數(shù)據(jù)區(qū)。

MBR和DBR定義了卡內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本規(guī)則，如簇和各區(qū)大小的定義。對(duì)于文件的具體信息存放在目錄區(qū)DIR，文件內(nèi)容存放在數(shù)據(jù)區(qū)DATA內(nèi)。FAT區(qū)即對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的索引，F(xiàn)AT區(qū)為特殊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，對(duì)于FAT16系統(tǒng)，每個(gè)FAT單元為2字節(jié)，分別對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)區(qū)相同序號(hào)的簇，存放內(nèi)容為未完文件所在的下一簇序號(hào)，直到該單元存放0xFFFF，則該簇為文件鏈尾。磁盤結(jié)構(gòu)及FAT16的文件存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)示意圖如圖6所示。

圖6 磁盤分區(qū)表及FAT16文件系統(tǒng)實(shí)例示意圖

FAT文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能為：將寫入SD卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行文件化處理。通過對(duì)目錄區(qū)、FAT區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的分別寫入，可完成文件的自動(dòng)創(chuàng)建和數(shù)據(jù)的自行保存。其實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示。

圖7 FAT16文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

3 基于電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

電池管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)具有種類多、數(shù)據(jù)量大、傳輸速率快等特點(diǎn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖8所示。為了測(cè)試本系統(tǒng)存儲(chǔ)BMS數(shù)據(jù)的性能，本文對(duì)CAN總線上兩個(gè)主要的報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)：報(bào)文一包括電池總電流、總電壓、平均溫度和SOC等；報(bào)文二包括電池模塊的最高電壓/最低電壓、模塊溫度和故障碼等。

圖8 數(shù)據(jù)樣例

每一條監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式設(shè)定為“時(shí)間+報(bào)文ID+數(shù)據(jù)”，即包括3字節(jié)的監(jiān)控時(shí)間、4字節(jié)的報(bào)文ID號(hào)以及8個(gè)字節(jié)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整理為ASCII碼后每條數(shù)據(jù)共30字節(jié)。每次寫入一個(gè)扇區(qū)即512字節(jié)的數(shù)據(jù)，可包括16條接收數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在文本文件中數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容詳見表3。

表3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

注：?jiǎn)蝹€(gè)字節(jié)內(nèi)容以ASCII形式存入文本文件后，表現(xiàn)為兩字節(jié)。

本文搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過BMS采集電池組數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)SD卡，再經(jīng)由PC上位機(jī)查看和處理。實(shí)現(xiàn)了在SD卡內(nèi)自動(dòng)創(chuàng)建文件BMSDAT01.txt，考慮到文件過大時(shí)上位機(jī)查看困難，當(dāng)文件大于給定值50 MB時(shí)生成新文件。再次使用時(shí)可繼續(xù)上次數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過PC機(jī)可直接查看文件中數(shù)據(jù)及其記錄的時(shí)間和來源報(bào)文ID，也可以直接對(duì)卡中數(shù)據(jù)文件進(jìn)行刪除等操作而不影響再次使用。目前本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線上每100 ms發(fā)出的數(shù)據(jù)的完全無遺漏記錄，更高頻率下對(duì)數(shù)據(jù)的完全記錄還有待完善。綜上所述，本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)2G的SD卡具有較高的利用率，短時(shí)間內(nèi)可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)且具有較高穩(wěn)定性，因此可以較好地應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)中。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 鄭敏信，齊鉑金，吳紅杰，等．混合動(dòng)力客車鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)[J]．高技術(shù)通訊，2008，18(2).

[2] 王風(fēng)國(guó)，齊鉑金，吳紅杰．基于DSP與LabVIEW的電池監(jiān)測(cè)與控制器標(biāo)定系統(tǒng)[J]．理論與方法，2008，27(1)：16-19.

[3] 吳建建，齊鉑金，李巧平．基于SD卡的海量歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(1)：145-148.

[4] SD Group (MEI，SanDisk，Toshiba)．SD Memory Card Specifications Part 1：Physical Layer Specification， 2000.

[5] 時(shí)堯．HCS12X單片機(jī)的SD卡FAT文件系統(tǒng)讀寫設(shè)計(jì)[J]．技術(shù)縱橫，2010(9)：25-28.

[6] Microsoft Corporation．Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification FAT：General Overview of On Disk Format (Version 1. 03)，2000．

[7] 張恒．基于AT89S52和FAT16的SD卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．應(yīng)用天地，2009(27)：53-58.

Storage System Applied to Battery Management System

Chen Shuoying，Zheng Minxin，Qi Bojin，Yang Qingsen

(Department of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

The battery management system is an indispensable part of the electric vehicle, in order to meet the demand of a large number of monitoring data to be restored, an efficient data storage system applied in the battery management system is designed. The system adoptes the Freescale MC9S08DZ60 microcontroller of HCS08 Series and 2G SD card, battery management system collectes and generates huge amounts of data,which is stored in the SD card in real time. The experiment proves that the system can automatically create a file and record data sent by CAN bus every 100ms with no missing data.

data storage; SD card; FAT16; battery management system

TP23

A

迪娜

2013-07-05)