电池管理系统的标定及匹配技术研究

1、同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文电池管理系统的标定及匹配技术研究姓名：杜江申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：陈启军；魏学哲20080301摘要 摘要 动力蓄电池是混合动力汽车和纯电动汽车动力系统的重要组成部分。在混合动力 汽车和纯电动汽车运行过程中需要对电池组和电池单元运行状态进行动态监控， 精确测量电池的剩余容量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状 态，由此产生了蓄电池管理系统。蓄电池管理系统控制器决定了蓄电池管理系统 的性能，从而也决定了动力蓄电池的工作性能°V Modc是一种新的车用嵌 入式系统开发方式，对传统的ECU （电子控制单元）开发方

2、式具有不可阻挡的 替代趋势。论文遵循先进的V Mode开发流程，实现了基于TI公司DSP 的锂离子电池管理系统的CECU （中央电子控制单元）。标定是ECU开发过程中的一个重要环节，而标定系统的选用关系到标定质量、 标定时间和标定成本。基于CCP协议的标定方式能够实现便捷、可靠和高效的 在线标定。论文在简要介绍CCP协议和标定系统组成的基础上，着重讨论了标 定驱动程序、驱动程序接口的开发方法与开发过程，成功实现了利用标定工具C ANape对锂离子电池管理系统CECU的在线标定。为了固化标定变量的 值，论文还针对TI公司TMS 3 2 0 F 2 8 0 8芯片的开发了boofloa der，用

3、以负责响应标定上位机CANape发送的CCP下载命令和芯片上 电复位后的二次引导，解决了 flash操作的难题，实现通过CAN总线在线 下载程序。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：电池管理系统，DS P自动代码生成，ECU标定，CCPAbstractABSTRACTcleanPowerbatteryisaveryimportantpartofPowertrainofenergyvehicle.Whenthecleanenergyvehicleisrunning，itisnecessarytomonitortherunningstatesofe(SsttaitmeaotfeCb

4、haatrtgeery(ctehiel bs)5teexaryc at nlySOC)ofatdprotectarethebatterycellsduringtheyarecharginganddischargingThesewhataBMSBMS(BatteryManagementdecidestheSystem)doesThetheBMSECU(ElectronicControlUnit)ofaperformanceofaandeventheperformanceofthebattery(cells)CECU(CenterDSPfollowingV-Modeisnewmethodinveh

5、icleECUdevelopmentwhichisobviouslybetterthantraditionaldevelopmentmode.ThispaperintroducestheimplementofElectronicControlUnit)ofaLiionBMS5basedonTeXasInstrumenttheV一Modedevelopmentmethod.CalibrationisacrucialstepinECUdevelopmentwhilethecalibrationsystemdecidesthecalibrationquality,timeandcosts.CCP(C

6、ANCalibrationProtoc01)isusedtoimplementreliableprecisedynamiccalibrationwithhighcommunicationspeedAfterbriefintroductiontotheCCPandthecomposingofcalibrationhardwareandsoftwarethispaperintroduceshowtodesignCCPdriverfortheCECUoftheLiionBMS5andtherealizationofonlinecalibrationusingCANape,atypeofMCSVect

7、orin(Measurement hasandCalibrationonSystem)fromGerma ny.Andthereservebootloaderbeendevel opedtolineprogrammingtheECUflashtot hevaluesofvariablescalibrated,Inthefinality,theproblemsrequiringf urtherstudiesarediscussed.KeyWords: batterymanagementsystem,DSPCCPauto generatedcode,ECUcalibration,II学位论文版权使

8、用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校 有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的 的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者虢本二ov ， T'章卩多年易月/I易日)3' ll、一j同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究

9、工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人 创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性 声明的法律责任由本人承担。学位敝作者繇苹、/)蛔g年乃月侈日第1章绪论第1章绪论1.1动力蓄电池概要在各种混合动力轿车及纯电动汽车的动力系统设计中，动力蓄电池通常被选作为 辅助电源，是混合动力轿车及纯电动汽车的关键部件之一。目前常用的动力蓄电池主要有密封型铅酸蓄电池、镍一镉蓄电池、镍一氢蓄电池 和锂离子蓄电池nl。表1.1是它们特性的比较。表1.1常用动力蓄电池的特性比

10、较 ，x蓄电池种类电池电压(V)能量密度(Wh/kg)功率密度(W/kg )寿命(再生次数) 成本充放电特性过量过急速且充电里充电放电XXX急速放电 o密封铅酸镍一镉镍一氢锂离子2-012123.735405060 60801001302004001802002504804008003506005001000010001500 50010 0 0oooooXo:非常好0:良好:一股x:差与目前广泛应用的镍一氢蓄电池相较而言，锂离子蓄电池目前的缺点在于成本较 高。不过相对于其优良的性能来说，这一点还是可以接受的。随着锂离子电池规 模不断规模化生产，锂离子电池成本也会不断降低。而且，世界各汽车厂商

11、也在 加紧锂离子电池的研发。2 0 0 5年9月28日，世界上最大的汽车部件及空调 制造商江森自控国际有限公司启动 先进锂离子蓄电池研发实验室”，为混合电动 汽车(HEV)研制先进的电力储存解决方案口 1,并在2 0 0 7年1月宣布其 研发的面向混合动力车等领域的车用锂离子充电电池已达实用水平H1:日本G S汤浅株式会社日前宣布该公司成功开发出在高温条件下也能够使用的可靠性显 著提高的新型锂离子电池TMPEND晴1;梅赛德斯奔驰计划于2 0 0 9年推 出一款燃油和电动混合型S级轿车，选用江森自控提供的锂离子蓄电池作为动力 蓄电池，力争成为向市场首推第一辆使用锂电池的混合型汽车的汽车制造商

12、M, o同济大学 超越”系列的燃料电池混合动力轿车中选用了锂离子电池作为辅助能源，本文的蓄电池管理系统就是针对燃料电池汽车用锂离子电池的。第1章绪论1.2电池管理系统的研究内容在当前传统燃油汽车引发的能源危机和环境污染的背景下，新能源环保型汽车如 电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等越来越受到人们的关注。而车载蓄电 池是制约新能源汽车推广以及产业化的关键因素之一。主要原因在于：1）蓄电池在制造过程中，由于制作工艺的差别，即使同一批次的电池，也 不可避免的存在着差异，即容量上的差异。在充电过程中，容量小的电池电压上 升比较快，当其它电池尚未充满时，该电池已经充满，继续充电将造成容量小的 电池处

13、于过充电状态。在放电过程中该电池经常处于过放状态，致使其寿命明显 缩短，进而带来整组蓄电池寿命降低。尤其是锂离子蓄电池，它不允许过充电， 不能像镍氢电池或铅酸电池通过过充达到一致。因此锂电池必须管理到单电池， 且要能进行自动均衡口 ' 2）蓄电池组在运用过程中，如果出现单只电池损坏而 未能及时发现的情况，其它蓄电池的性能将受到严重影响，致使蓄电池组的寿命远远小于单体电池 的寿命。3）蓄电池的实际容量受到多种因素制约，不仅与制造工艺有关，而且与使 用状况关系密切 在这种情况下，电池管理系统应运而生。电池管理就是对电池组和电池单元运行状态迸行动态监控，精确测量电池的剩余 容量，同时对电池进

14、行充放电保护，并使电池工作在最佳状态。一般而言电池管 理系统要实现以下几个功能：1）电池数据采集。采集的数据主要有单电池电压、电流，电池组电压、电 流，电池温度等。2）准确估测动力电池组的荷电状态（State能电池还剩余能量；3）动态监测动力电池组的工作状态，即实时采集汽车蓄电池组中的每块电of Charge，SOC），随时预报储池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压；当蓄电池电量或能量过低需 要充电时以及当电池组的温度过高时，及时报警；建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系 统故障提供依据；4）电池组的热平衡管理，即通过风扇等冷却

15、系统和热电阻加热装置使电池 温度处于正常工作温度范围内；2第1章绪论5）对于锂离子蓄电池，还需要对单电池均衡；未来新能源汽车中，无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，动力电池系统会作为 一个重要部件，如传统汽车的变速箱和发动机一样。因此，电池管理系统必须按 照传统汽车电子的开发流程和开发方法。1.3汽车电控单元V-Mode开发流程在汽车电子中，日益复杂的功能和日益严格的法规使得ECU软件越来越复杂， 为了保证复杂产品的质量，必须有一套严格的开发程序，而软件产品也需要满足 越来越严格的标准；此外，激烈的市场竞争使开发者必须从根本上缩短开发时 间。因此目前汽车电子中普遍采用的嵌入式系统的开发流程（其开

16、发模式如图 1.1）越来越暴露出它的不足：直到台架调试，控制器才真正与被控对象相结 合，系统设计的错误直到彼时才会最终显露；调试时往往涉及软件工作组和硬件 工作组之间的协调，调试过程比较困难；由于软件采用手工编写方式以及硬件制 作固有的时间，上述过程非常难以回溯，即错误的排除非常困难；系统仿真阶段 和实现阶段断裂；应用程序直接和单片机的硬件打交道，程序的可读性、可继承 性、可移植性仍不够好。在传统的车用嵌入式系统的开发方式逐渐失势的过程中，越来越多的汽车厂商与 供应商已经意识到规范的开发系统可以使各个开发阶段间有效地衔接；通过统一 的开发工具可以实现现代的开发流程从而减少手工编程的工作量并能避

17、免许多错 误。一种新的开发流程 VMode技术开发流程（如图1.2）开始为人 们所熟悉。功能需求分析编'写代码，高线调试 统集成、ECU单元调 实车试验图1.1传统车用嵌入式系统的开发流程3第1章绪论图12v嘶de开发流程V-Mode的特点是无论进行开发、编程或测试ECU，用户总是可以在同一 环境下工作，开发过程的每一步都可以得到验证。使用这一方法最直接的效果是 加速与简化了开发流程，在这一流程中。技术人员可以快速地把自己的思想变成 现实并可以尽早消除错误。ft能设计与Simulink仿真：采用MATLAE/Simulink或其他图形化建模工具，工程师可以设计相应的功能并首先在Simu

18、link下进行验证。 珂能原型与旁路技术：功能原型允许在实际车辆中方便可靠地测试与优 化各种功能。从Simulink中自动生成代码下载到原型硬件上并通过虚拟 仪表进行测试，这加快了设计迭代循环。?自动产品代码生成：自动生成代码是ECU的定点代码，是开发流程中的 关键。一旦功能模型被验证，就可以采用代码生成的方式直接从Simulin k/Stateflow中生成高效的C代码。?采用硬件在回路仿真进行ECU测试：当ECU软件已经完成，采用特殊仿真器（如dsPAcE ）可以自动快速地测试其功能。张整个开发流程中都可以进行虚拟标定在现代的开发流程中，参数标定已经从是后阶段逐渐前移到设计早期。特别是在

19、原型与测试阶段调整参数可以大大减少实际标定所需要的时间。V-Mode克服了传统开发模式的众多缺点，非常符合现代汽车ECI J开发 的要求，最终必将取代传统开发模式成为汽车ECU开发的主流模式。第1章绪论表1.2是传统开发流程和V-Mode开发流程的比较。/技术要求：管理与维护功能开发产品代码生成ECU测试灵活性开发流程表1.2传统开发流程与V-Mode开发流程传统的开发流程口头描 述的技术要求，通常很模糊对复朵的原型进仃手工编程V-Mode基丁模型的 技术要求，很清晰图形化建模，自动下载到实时硬件上运行，快速进行方案评 估，快速控制原型从开发上具中自动生成产品代码系统地测试，通过硬件在回路 仿

20、真进行失效测试好由于并行开发使进程大大加速手上编写C代码，容易出错： fF常系统地进行车辆测试，上况可重复性差样常有限慢1.4汽车电控单元标定及匹配技术概况1.4. 1标定及匹配的基本概念随着微处理器技术等汽车电子技术的不断发展和应用，汽车越来越电子化”出现了除传统的发动机电控单元（ElectronicControlUni t,ECU ）外的很多汽车电控单元，如底盘电控单元、车身电控单元、蓄电池 管理系统电控单元等。而在任何一个电控单元的开发过程中，标定都是不可或缺的环节。当电控单元的 硬件、软件设计开发阶段结束以后，就进入标定环节。具体来说，汽车电控单元 的标定就是根据该电控单元所在系统的各

21、项性能要求调整、优化和确定电控单元 软件的运行参数、控制参数和各控制数学模型的整个过程。它包括所有为此而进 行的各种试验和验证。汽车电控单元的匹配则是指在进行电控单元标定之前为某 一功能系统（如转向控制系统）配用电控单元，使之符合该功能系统及整车的各 种性能要求。一个电控单元在匹配任何一种型式的功能系统时，在控制程序和数学模型以及硬 件模式基本确定的前提下，能不能使被匹配的功能系统在各方面发挥出最佳水 平，将取决于能否获得控制软件中的最佳标定参数。取得最佳标定参数，是匹配 标定的主要任务阻1。5 第1章绪论对于蓄电池管理系统，它直接的控制对象 蓄电池是一个被动的对象，即它本 身不能决定它做什么

22、，而是EMS（发动机管理系统）或VMS（整车管理系 统）根据电池管理系统采集上传的实时数据了解电池状态后做出相应的控制策 略，调整系统工作，使蓄电池配合其他部件工作在最佳状态。因此蓄电池管理系 统涉及匹配的工作比较少，本课题将把研究重点放在标定上。1.4.2汽车电控单元标定技术现状随着电控系统功能不断增加，汽车ECU内部控制软件变得越来越复杂，控制参 数不断增多，传统的手工标定已无法适应新的要求。为了控制ECU标定的时间 和成本，工程师和技术员通常会依赖可以灵活读写变量和内存的强大的工具；另 外，传统的SCI串行通讯方式也越来越暴露出它在标定时通讯速度慢的致命弱 点。在汽车工业技术和市场的推动

23、下，标定技术在标定工具和标定协议两个方面 取得了很大的进展。1.4.2. 1标定通讯协议基于SCI串行通讯的标定系统是传统的标定方式，曾一度是标定的主流方式。 但是由于其通讯速率太慢导致标定系统并未实现真正的在线标定，且采样频率 低、容易丢失监测数据。由此，逐渐又发展出以下几个通讯协议：基于K线的K WP 2 0 0 0协议，基于网线的TCP/IP，基于CAN的CCP（CAN ProtocO 1）及 XCP（UniversalCalibrationM easurementandCalibrationProtoc01）0 KWP 2 0 0 0协议主要是诊断方面的应用，基于网线的TCP/IP通讯

24、协议 用于发动机行业ECU匹配标定广泛使用的ETASINCAETK标定方式中，这种标定方式需要对ECU进行专门的改造，在原有的电路基础上增加ETK模块以实现相应通讯接口，增加了ECU开发的复杂程度和成本。CCP 是由 Audi 公司、EMw 公司、Mercedes Benz>Porsche>Volkswagen公司联合成立的ASAP任务小组（Task CalibrationForcefortheStandardizati onofSystems，标定系统标准化任务小组）于1 9 9 2年提出的，是 一个基于CAN的标定测量协议，目的在于实现数据间的互换以及硬件与软件系 统在所有层面

25、上的兼容。1 9 9 6年7月，该小组公布了实际应用的CCP 2.0版本°CCP协议采用主一从结构的通信方式，如图1.3。主从设备间 通过会话实现数据传送等功能，这些功能的实现是进行标定、监控、诊断等工作 的基础。所有会话由6第1章绪论主设备向从设备发送命令和从设备回送相应的命令应答两个步骤完成。图1.3CCP主、从设备结构XCP是CCP的后继和扩展。上世纪90年代提出CCP的时候，CAN总线 是汽车中唯一的主流总线。随着汽车电子的持续发展，其它总线系统诸如Fle xRay、LIN、MOST等也开始成为主流。但是，CCP仅限于CAN网 络应用，所以在其它潜在领域的应用局限日益增加。这

26、样就导致了其后继协议X CP的出现。与CCP一样，XCP也是源于自动化和测量系统标准化协会（A SAM，其前身为ASAP），它在2 0 0 3年被定为标准°XCP对CCP主 要进行了两方面的扩展：通信协议上的扩展和从设备类型上的扩展°XCP中的 X”代表可变的、可互换的传输层，XCP通过双层协议将协议和传输层完全独 立开，它采用的是单主/多从结构，根据正在讨论的不同的传输层，XCP协议 可能指的是XCP on Can、XCP onEthernet、XCP on UART/SPI或XCP on LIN。与CCP相比，XCP是 一种标准而通用的有很多合理化潜力的应用协议。它不仅

27、用于ECU开发、标定 和编程；也用于在原型开发中集成需要的测量设备、功能开发中的旁通以及在测 试台上进行的SIL和H IL过程。目前CAN仍是汽车主流的通信协议，同济大学的超越系列燃料电池轿车也主要 采用CAN通信，所以本课题采用CCP协议作为标定协议。1.4.2.2标定工具标定工具在汽车ECU开发过程具有很重要的作用，世界各国的汽车公司一直在 致力于标定工具的开发。目前国外比较先进的标定系统主要有Vector公司 的CANape、ETAS公司的INCA、°dsPACE公司的CalDe sk、ATI公司的VISIO N、大众公司的VS10 0及通用公司的Cal Tool等。目前比较常

28、见的汽车ECU标定上位机工具主要有：1. CANapeGraph7第1章绪论德国Vector的CANape是遵循ASAP(后更名为ASAM)协议的 ECU测试和标定工具，其主要应用领域是ECU的调试°CANape提供了 CAN总线或KWP 2 0 0 0总线接口，通过CCP或KWP 2 0 0 0协议使之 能在ECU运行时访问ECU内存，能支持多个ECU的同时标定和测试°CA Nape还提供不同的控制器数据获取模式，这些模式取决于各自控制器的驱动 器。监测过程中CANape把测量数值以及相应的时间都存储起来。同时，C ANape能修改控制器的参数。此外，这个过程中所有CAN

29、总线上交换的数 据信号都能显示和保存下来。CANape通过一个硬件CAN卡CANcaseXL与ECU连接，CAN ape与控制器问的通信需要一个描述文件支持归1,这个文件称为ASAP2 控制器描述文件。CANape对控制器的参数标定和数据测量都是基于这个文 件，该文件记录了控制器中各参数的详细信息，如标定参数和测量变量在控制器 中的存储地址、存储结构、数据类型和转换公式等。为了方便用户对ASAP2 文件进行维护和修改，CANape集成了一个ASAP2数据库编辑器，用以 生成和修改ASAP2控制器描述文件。所有的信息都能通过对话框的形式进行 设置和修改。该数据库编辑器还能工作在独立模式下，以生成

30、一个ASAP2格 式的控制器描述文件。CANapeGraph所具有的在线评估、离线评估、打印功能、数据管理、 Flash编程、标定以及ASAP2数据库编辑器等功能使它成为ECU开发 的一个通用工具。2. CalDeskCalDesk是dSPACE标定系统的Pc上位机，基于WINDOWS平 台，提供了易于操作的界面环境、易于管理的树形目录来存放各类试验和数据文 件、易于比较和分析的数据组织方式、易于离线和在线更改的各种参数显示方 式。这使得用户不必涉及繁杂的底层硬件和协议，只需面对友好的用户界面即可 完成全部的匹配标定任务。通过对ASAP2标准的实现，dSPACE标定系 统具有了规范的ECU数据

31、描述文件，并通过创建DBC格式的文件来对车辆总 线上的信号和l/o模块上的数据进行描述和存储，实现了dSPACE工具集 可以在同一个数据平台上共享数据。3. WS10N来自车载嵌入式电控系统ECU开发、标定与测试工具技术的知名提供商美国精 确技术公司(ATI，AccurateTechnologiesInc)的VISION功能强大，与Matlab/Simutink开发平台无缝连接。VISION标定系统的同名上位机软件VISION8第1章绪论是基于Pc和USE接口的高端软件。它通过下列接口和其它硬件通讯连接：P CMCIA卡、USEto CAN、VISION网络门户接口或内存模仿 器。ATIVIS

32、Io N测试标定系统的主要特点是：支持多种ECU界面、完善的 ECU数据库管理系统、数据采集和后处理功能强大、ECU控制软件闪存安 装、各种标定界面设计、和其它数据采集系统兼容，是一套通用的ECU测试、 开发、标定系统平台。该系统可用于刹车ECU、车身ECU、车内温控EC U、发动机ECU、自动变速箱ECU及其它工程机械控制系统等。除了以上三种常见的汽车ECU上位机标定工具，还有一些其它的，如北京风丘 科技的VisualScope，该工具可实现基于XCP协议的ECU标定。 由于目前来说应用还不广，这里不做介绍。另外，在开发汽车ECU标定系统时 也有利用LabView或Matlab/Simuli

33、nk自行开发设计上位 机标定软件的，如同济大学汽车电子实验室开发的基于Matlab的CCPM CDn0|o我国在汽车ECU标定技术方面起步比较晚，主要研究工作集中在各高校，比如 上海交通大学基于CCP协议的控制器标定系统n；哈尔滨工业大学的电控柴油机产品ECU标定系统n羽以及重庆邮电大学的基于CCP协议的汽车ECU标 定系统n叫等等。1.5本论文的主要研究内容和意义1.5. 1主要研究内容本课题主要针对燃料电池轿车动力蓄电池管理系统的CECU（CentreE lectronicControlUnit ）进行基于CCP的参数在线标定。本论文的主要研究内容有以下几点：0 0系列DSP软硬件开发相关

34、书籍和文档，进行相应练1）查阅 TIC20习，熟悉其开发流程；0系列中的TMS320F2808作为主芯片实现锂电池2）用 TIC200管理系统的CECU硬件电路；c开发流程，用Matlab/Simulink实现锂电3）遵循 V Mod池管理系统的自 动代码生成；4）查阅CCP协议相关文档，在熟悉CCP协议规范的基础上开发CCPDr iver以及CCPDriver里要调用到的TMS 320F2808的CANDri ver，并将CCP9第1章绪论Driver结合到自动生成的电池管理系统的应用程序中；5）选用通用的标定软件CANape作为上位机标定工具实现对锂电池管理系 统进行RAM和f lash标

35、定；6）开发bootloader，实现通过CAN总线在线下载程序； 1.5.2课题研究意义本课题针对的电池管理系统电控单元原采用Freescale的16位单片机 作为主芯片，但由于电池管理系统在处理SOC估计时运算量大而控制的功能偏 少，体现不出该单片机在控制方面的优势。本课题首先将基于Freescal e单片机的原系统转移到运算功能强大的3 2位DSP平台上，解决了原系统运 算速度慢的问题。然后，本课题实现了基于CCP的在线标定和程序下载，避免了来回修改电池管 理系统软件控制参数和运行参数及反复下载程序的繁琐而费时的重复性工作，大 大减少了标定工作，节省了电池管理系统CECU的开发周期。另外

36、，本课题的 标定系统稍作修改后也可用于其他汽车ECU的标定和程序在线下载。1。6小 结本章由动力蓄电池的概念和种类引入，简要介绍了锂离子动力蓄电池管理系统的 作用及研究内容。接着介绍了嵌入式的现代开发流程 一一V-Mode，在此基 础上着重介绍了 V-Mode开发流程中的标定及匹配节点的概念及发展现状。最后说明了本课题的主要研究内容和意义。10第2章基于DSP的电池管理系统的实现 第2章基于DSP的锂电池管理系统的实现V-Mode的开发流程以其强大的优势必然成为汽车ECU开发的标准模式， 本章在分析锂电池管理系统的功能要求后，基于TIDSP实现了硬件电路，然 后根据V-Mode开发流程思想实现

37、对锂电池管理系统软件代码的自动生成。 2.1对锂电池管理系统的要求及其功能分析2.1 .1对锂电池管理系统的要求 对于锂离子电池而言，过充或过放都会损坏电池，因此为了保汪车辆的安全和延 长蓄电池的寿命，需要时刻检测单节电池的电压；静置足够长的时间的开路电压（OpenCircuitVo1tage，OCV）是其荷电状态（Stat eofCharge,SOC）最精确的反映，电压测量的精度会直接影响其荷 电状态的计算误差，因此要求电压测量要有相当高的精度。?另外，由于生产工艺的制约，各单体电池之间不可避免地会存在差异，混合动 力系统的工况决定了电池将不停地在充放电间转换，因此电池在长期使用过程 中，差

38、异会更加明显。各单体电池之间电压和荷电状态等出现差异，就会导致荷 电状态较高的电池容易过充、荷电状态较小的电池容易过放，不能充分利用电池 的能力。而且一般电池管理系统估计的是整组电池的荷电状态，单电池之间荷电 状态的不均衡会导致整组电池荷电状态的估计出现偏差，影响电池的使用寿命， 为避免此类情况的发生，对于铅酸电池和镍氢电池，可以通过过充电使之都回到 10 0%SOC，但锂离子电池不允许过充，好在锂离子电池的稳态开路电压与 其SOC具有对应的关系，因此锂离子电池管理系统中可以增加均衡电路（EquilizationUnit，EQU ）来保证各单体电池之间的电压 差不超过某一设定值，从而将其SOC

39、之间的差异控制在一定范围之内。锂离子电池管理系统为保证电池的安全和寿命，需要向车辆管理系统提供其当前 可充电功率（P。一）和可放电功率（P搬），车辆管理系统应在此范围内合理 使用蓄电池的功率，结合FCE当前的功率特性和整车的动力性进行功率平衡控 制。而蓄电池当前可充电功率和可放电功率是其SOC、温度和SOH的函数。 虽然电池串联工作，在其使用过程中各单电池充电和放电电流相同，但由 第2章基于DSP的电池管理系统的实现于电池一致性的差异以及通风散热条件的不同，其温度变化也会不相同，另外， 当电池组中出现异常情况时，其温度和温度的变化率往往是明显的故障指示信 号，因此蓄电池管理系统应能监视电池箱中

40、温度场的分布情况并及时给出报警或 调整电池工作电流的信号。2.1.2锂电池管理系统应具备的功能动力蓄电池管理系统（BMS）是一个嵌入式实时监控系统，根据2.1 .1节 所述，它应具备以下功能：高精度的单电池以及电池组电压采集及处理；?高精度的电池组电流采集及处理；?高压预充电、过充和过放保护、绝缘检测和漏电保护；电池的均衡和热管理；充电及放电过电流保护；?电池箱内温度检测及过热保护；与整车控制器通讯。2.2锂电池管理系统的整体结构目前，蓄电池管理系统普遍采用分级模块化的结构（如图2.1所示），即把几 个单体电池分为一组（模块化）由一个ECU统一管理，称之为LECU（Lo calElectron

41、icControlUnit），然后几个模块的LE CU由一个 CECU（CentralElectronicControlU nit ）进行管理。这种分级模块化结构优点在于系统结构比较简单，便于安装和维护，整个蓄电池 管理系统中线束较少。该系统只需要4根线：两根电源线，给LECU提供工作 电源；两根串行数据总线。线束的减少使其工作起来更加安全可靠，并且调试、 安装以及维修都比较方便。12第2章基y DSP的电池管理系统的实现图2.1蓄电池管理系统拓扑结构根据蓄电池管理系统的总体功能，CECU和LECU又分工不同，其中，CE CU的主要功能是：1）电池组电压、电流、温度高精度测量：电压、电流等信号

42、经过差分电路 分压后，采用硬件电路进行滤波，进入控制器用模数转换进行采样，分析系统的 噪声特性后，用软件的数字滤波器进一步消除信号噪声a2）电池组状态估计：开路电压（0CV），初始SOC（SOCinit）， 初始放电深度（DOD），充放电次数（N）,电池组容量（C），SoC估算。3）最大充电功率Pdn姒和最大放电功率P。一的相关参数计算t参照Pon 心心与DOD或SOC，Pdn矶与DOD或SOC的关系曲线查表得出Pd蝴。和 Pom麒后需计算最大允许充电电流Icm引最大允许放电电流Id。懈等。通 过CAN总线将这些数据传输给VMS，由VMS根据这些信息来给电池分配适 当的实时充放电电流。4）与L

43、ECU、vMS之间的通讯：与VMS之间的通讯主要有两方面：一是 接收VMS的广播帧信号和VMS的控制命令的同时发送给VMS蓄电池及管理系统 的相关状态信息，并协助VMS对蓄电池进行合理的功率分配和及时处理故障； 二是根据整车状态决定蓄电池管理系统在停车15分钟之后开启EOU均衡电路 对蓄电池进行均衡，在整车启动时，立即关闭EQU平衡电路，使蓄电池处于良 好的准备工作状态。在开启LECU电源之后，开13 第2章基于DSP的电池管理系统的实现 始周期性发送同步时间广播帧，并根据情况发送事件触发帧，如命令LECU启动对CECU周期性数据传输；同时接收LECU周期性发送的数 据，并计算单体电池电压最大

44、值、最小值、平均值和温度最大值、最小值、 平均值等。并把相关信息传输给VMS，把单体电池电压平均值发送给LECU作为平衡电路的平衡目标值。5）上层故障处理与记录。6）当蓄电池处于过充、过放，电池组电压、电流过高或者蓄电池管理系统 本身故障等状态时，纪录该故障信息，并根据具体故障作相应的处理。 同时，按照与整车VMS的数据通信协议，将故障等级、故障代码、故障 发生次数信息通过CAN总线传递给VMS，由VMS仲裁。7）蓄电池管理系统电源低功耗管理。由于汽车在处于停车状态时，EMS仍 需每隔一定的时间对电池进行监控，在较长时间停车时BMS不能将蓄电 池存储的电量耗完，否则汽车将无法启动。因此在停车时

45、BMS必须进入 低功耗模式。当汽车开动时，从KL15传来的点火信号将控制器从低功 耗模式唤醒，进入正常工作模式。LECU的主要功能：1）单体电池电压测量及过压保护；2）模块温度测量（2个温度探头）；3）和CECU之间通讯交换数据；4）控制EQU进行均衡；5）电池模块故障诊断、纪录与处理。由于时间和精力有限，本课题研究工作主要集中于CECU。2.3基于DSP的锂电池管理系统CECU的硬件实现2.3. 1主芯片的选择从BMS的功能可以看出，该电控单元在控制方面的功能只占BMS的小部分， 在实时参数估计、SOC估算中，算法复杂且运算量大，控制器需要在较短的时 间间隔内完成一步复杂的递推运算，这对控制

46、器的计算能力和计算速度要求更 高。本课题针对的的电池管理系统CECU原采用Frcescalc的单片机 MC9S12DP256作为控制器，由于单片机侧重于控制而实时数据运算能 力有限，无法很好的满足14第2章基于DSP的电池管理系统的实现BMS的要求。德州仪器（TI）公司的TMS320C20 0 0系歹I JDS P集微控制器和高性能DSP的特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力， 能够实现复杂的控制算法。该系歹f JDSP上整合了 FLASH存储器、快速 高精度的A/D转换器、两路增强的CAN模块、事件管理器、正交编码电路接 口、多通道缓冲串口等外设。32位定点运算的TMS320F2808D

47、SP 能够在一个周期内完成3 2 X3 2位的乘法累加运算，或两个16X16位乘法累加运算。此外，可以在一个周期内对任何内存地址完成读取、修改、写入操作， 使得效率和程序代码达到最佳，完全满足实时控制的要求。TMS320F2808芯片的主要性能如下：1）高性能静态CMOS技术? 10 0MHz（时钟周期 6.67ns）氐功耗（内核电压1 .8V,I/ O口电压3.3W2）JTAG边界扫描（BoundaryScan ）支持3）高性能的3 2位中央处理器?16位X16位和3 2位X3 2位乘且累加操作哈佛总线结构4）片内存储器? +64KX16位的F lash存储器4KX16 位的 BootROM

48、? 18k X16位的单口随机存储器（SARAM）5）串口外围设备?同步串行接口 SPI两个异步串行通讯接口 SCI，标准的UART增强型的 控制器局域网eCAN多通道缓冲串行接口McBSP和串行外围接口模式6）16通道12位的模数转换器?2 X8通道的输入多路选择器两个采样保持器单个转换时间2 0 0 ns，最小单 路转换时间6 0ns7）低功耗和节能模式表2.1CECU两种控制芯片的比较15第2章基于DSP的电池管理系统的实现项目结构pipelineMC9S12DP256TMY320F2808冯？诺依曼哈佛8 3 2 bit无16bitCPU字长总线频率（Max）I/o电压/core电压相

49、应的单指令周期单次乘法运算 耗时是否有MACFlash2 5MHz5V40ns100MHz3.3/1.810ns25MHz频率卜定点16bit*16bit需120nsNo256K宰812K奉84K木810.bit7us05v2*8100MHz频率下定点32bit*32bit需42nsYes64k 乖1618k*16lk幸 16OTPRoM12一bit160ns0.3V16RAMEEPROMADC精度AD最小转换时间AD电压范嗣AD通道数CAN5路2路从表2.1的比较来看，TMS320F2808的运算性能明显优于MC9S 12DP256，而TMS320F2808丰富的外设和片内存储容量也完全 满

50、足BMSCECU的要求；同时，近期版本（matlab7. 0及更高版 本）的Matlab/Simulink 在Target上也集成了TIC20 0 0系歹J JDSP的开发工具包TargetforTIforTIC 6 0 0 0的基础C 2 0 0 0,非常便于本论文后面将要提到的V模式下的ECU快速原型开发；另外，来自德州仪器的第三方 提供的优良技术支持服务为选用TMS320F2808免除了后顾之忧。 基于以上分析，为了提高锂电池管理系统的运算处理速度，本课题采用TMS3 20F2808作为锂电池管理系统CECU的主芯片。2.3.2硬件电路整体框架根据锂电池管理系统对CECU的功能要求（如图2.2），CECU硬件电路 的实现方式如下：用两路CAN实现CECU与VMS和LECU的通讯；用T MS320F2808 的片内AD模块实现高精度的数据采集，其中包括3路电池温度采集、2路电压采 集、2路电池组电流采集及1路漏电检测；用GPI O实现低功耗电源管理、充电继 电器控制及LECU电源控制；用PWM控制风扇实现电池组的热管理。硬件电 路系统的框架如图2.