（控制理论与控制工程专业论文）电池管理系统的标定及匹配技术研究.pdf

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 m o d e 是一种新 的车用嵌入式系统开发方式 对传统的e c u 电子控制单元 开发方式具有不可 阻挡的替代趋势 论文遵循先进的v m o d e 开发流程 实现了基于t i 公司d s p 的锂离子电池管理系统的c e c u 中央电子控制单元 标定是e c u 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c c p 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c c p 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 a n a p e 对锂离子电池管理系统c e c u 的在线标定 为了固化标定变量的值 论文还针对t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 芯片的开发了b o o f l o a d e r 用以负责响应标定 上位机c a n a p e 发送的c c p 下载命令和芯片上电复位后的二次引导 解决了f l a s h 操作的难题 实现通过c a n 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 d s p 自动代码生成 e c u 标定 c c p a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rb a t t e r yi sav e r yi m p o r t a n tp a r to fp o w e r t r a i no fc l e a ne n e r g yv e h i c l e w h e nc l e a ne n e r g yv e h i c l ei sr u n n i n g i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h er u n n i n gs t a t e so f t h eb a t t e r y c e i l s e x a c t l ye s t i m a t es o c s t a t eo fc h a r g e o ft h eb a t t e r ya n dp r o t e c t t h eb a t t e r yc e l l sd u r i n gt h e ya r ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g t h e s ea r ew h a tab m s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m d o e s t h ee c u e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t o fab m s d e c i d e st h ep e r f o r m a n c eo ft h eb m sa n de v e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r y c e l l s v m o d ei san e wm e t h o di nv e h i c l ee c u d e v e l o p m e n tw h i c hi so b v i o u s l yb e t t e rt h a n t r a d i t i o n a ld e v e l o p m e n tm o d e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei m p l e m e n to fc e c u c e n t e r e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t o fal i i o nb m s b a s e do nt e x a si n s t r u m e n td s p f o l l o w i n g t h ev m o d ed e v e l o p m e n tm e t h o d c a l i b r a t i o ni sac r u c i a ls t e pi ne c u d e v e l o p m e n t w h i l et h ec a l i b r a t i o ns y s t e m d e c i d e st h ec a l i b r a t i o nq u a l i t y t i m ea n dc o s t s c c p c a nc a l i b r a t i o np r o t o c 0 1 i s u s e dt oi m p l e m e n tr e l i a b l e p r e c i s ed y n a m i cc a l i b r a t i o nw i t hh i g hc o m m u n i c a t i o n s p e e d a f t e rb r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec c p a n dt h ec o m p o s i n go fc a l i b r a t i o nh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt od e s i g nc c pd r i v e rf o rt h ec e c uo ft h e l i i o nb m s a n dt h er e a l i z a t i o no fo nl i n ec a l i b r a t i o nu s i n gc a n a p e at y p eo fm c s m e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o ns y s t e m f r o mv e c t o ri ng e r m a n y a n dt h eb o o t l o a d e r h a sb e e nd e v e l o p e dt oo nl i n ep r o g r a m m i n gt h ee c uf l a s ht or e s e r v et h ev a l u e so f v a r i a b l e sc a l i b r a t e d i nt h ef i n a l i t y t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m d s pa u t o g e n e r a t e dc o d e e c uc a l i b r a t i o n c c p i i 学位论文版权使用授权书 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 印多年易月 i 易日 o v t 3 l l 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n 1 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较 蓄电池种电池能量密度功率密度寿命充放电特性 类电压 w h k g w k g 再生次数 成过量过 急速急 v 本 充电 且 充电速里 放放 电电 密封铅酸 2 03 5 4 02 0 0 4 0 03 5 0 6 0 0 o 镍一镉 1 25 0 6 01 8 0 2 0 0 5 0 0 1 0 0 0o 镍一氢 1 26 0 8 02 5 0 4 8 0 1 0 0 0 1 5 0 0 oo 锂离子 3 71 0 0 1 3 04 0 0 8 0 05 0 0 1 0 0 0 oo o 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 厂商也在加紧锂离子电池的研发 2 0 0 5 年9 月2 8 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 h e v 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h 1 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t m p e n d 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 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 s t a t eo fc h a r g e s o c 随时预报储 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 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 m o d e 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e c u 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 避免许多错误 一种新的开发流程 v m o d e 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 e c u 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l 章绪论 图12v 嘶d e 开发流程 v m o d e 的特点是无论进行开发 编程或测试e c u 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 功能设计与s i m u l i n k 仿真 采用m a t l a b s i m u l i n k 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s i m u l i n k 下进行验证 功能原型与旁路技术 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s i m u l i n k 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e c u 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 s i m u l i n k s t a t e f l o w 中生成高效的c 代码 采用硬件在回路仿真进行e c u 测试 当e c u 软件已经完成 采用特殊仿 真器 如d s p a c e 可以自动快速地测试其功能 在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 m o d e 克服了传统开发模式的众多缺点 非常符合现代汽车e c i j 开发的要 求 最终必将取代传统开发模式成为汽车e c u 开发的主流模式 第1 章绪论 表1 2 是传统开发流程和v m o d e 开发流程的比较 表1 2 传统开发流程与v m o d e 开发流程 传统的开发流程 v m o d e 技术要求 管理与维 口头描述的技术要求 通常很 基丁模型的技术要求 很清晰 护 模糊 功能开发 对复朵的原型进仃手工编程 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 产品代码生成 手上编写c 代码 容易出错 从开发上具中自动生成产品代码 e c u 测试 f f 常系统地进行车辆测试 上 系统地测试 通过硬件在回路仿真 况可重复性差进行失效测试 灵活性样常有限好 开发流程慢由于并行开发使进程大大加速 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 e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t e c u 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 而是e m s 发动机管理系统 或v m s 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e c u 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e c u 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s c i 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s c i 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 w p 2 0 0 0 协议 基于网线的t c p i p 基于c a n 的c c p c a nc a l i b r a t i o n p r o t o c 0 1 及x c p u n i v e r s a lm e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o np r o t o c 0 1 k w p 2 0 0 0 协议主要是诊断方面的应用 基于网线的t c p i p 通讯协议用于发 动机行业e c u 匹配标定广泛使用的e t a si n c ae t k 标定方式中 这种标定方式 需要对e c u 进行专门的改造 在原有的电路基础上增加e t k 模块以实现相应通 讯接口 增加了e c u 开发的复杂程度和成本 c c p 是由a u d i 公司 b m w 公司 m e r c e d e s b e n z p o r s c h e v o l k s w a g e n 公 司联合成立的a s a p 任务小组 t a s kf o r c ef o r t h es t a n d a r d i z a t i o no f c a l i b r a t i o ns y s t e m s 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c a n 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 所有层面上的兼容 1 9 9 6 年7 月 该小组公布了实际应用的c c p 2 0 版本 c c p 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 3c c p 主 从设备结构 x c p 是c c p 的后继和扩展 上世纪9 0 年代提出c c p 的时候 c a n 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f l e x r a y l i n m o s t 等也开始成为主流 但是 c c p 仅限于c a n 网络应用 所以在其它潜 在领域的应用局限日益增加 这样就导致了其后继协议x c p 的出现 与c c p 一 样 x c p 也是源于自动化和测量系统标准化协会 a s a m 其前身为a s a p 它在 2 0 0 3 年被定为标准 x c p 对c c p 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 x c p 中的 x 代表可变的 可互换的传输层 x c p 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 x c p 协议可能指的是x c p o n c a n x c p o n e t h e r n e t x c p o n u a r t s p i 或x c p o n l i n 与c c p 相比 x c p 是一种标准而通用的有很 多合理化潜力的应用协议 它不仅用于e c u 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s i l 和 h i l 过程 目前c a n 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c a n 通信 所以本课题采用c c p 协议作为标定协议 1 4 2 2 标定工具 标定工具在汽车e c u 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v e c t o r 公司 的c a n a p e e t a s 公司的i n c a d s p a c e 公司的c a l d e s k a t i 公司的v i s i o n 大 众公司的v s l 0 0 及通用公司的c a l t o o l 等 目前比较常见的汽车e c u 标定上位机工具主要有 1 c a n a p eg r a p h 7 第1 章绪论 德国v e c t o r 的c a n a p e 是遵循a s a p 后更名为a s a m 协议的e c u 测试和标 定工具 其主要应用领域是e c u 的调试 c a n a p e 提供了c a n 总线或k w p 2 0 0 0 总 线接口 通过c c p 或k w p 2 0 0 0 协议使之能在e c u 运行时访问e c u 内存 能支持 多个e c u 的同时标定和测试 c a n a p e 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c a n a p e 把测量数值以及相应的时 间都存储起来 同时 c a n a p e 能修改控制器的参数 此外 这个过程中所有c a n 总线上交换的数据信号都能显示和保存下来 c a n a p e 通过一个硬件c a n 卡c a n c a s e x l 与e c u 连接 c a n a p e 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a s a p 2 控制器描述文件 c a n a p e 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a s a p 2 文件进行维护和修改 c a n a p e 集成 了一个a s a p 2 数据库编辑器 用以生成和修改a s a p 2 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 以生成一个a s a p 2 格式的控制器描述文件 c a n a p eg r a p h 所具有的在线评估 离线评估 打印功能 数据管理 f l a s h 编程 标定以及a s a p 2 数据库编辑器等功能使它成为e c u 开发的一个通用工具 2 c a l d e s k c a l d e s k 是d s p a c e 标定系统的p c 上位机 基于w i n d o w s 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a s a p 2 标准的实现 d s p a c e 标定系统具有了规范的e c u 数据描述文件 并通过创建d b c 格式的文件来对车辆总线上的信号和1 o 模块 上的数据进行描述和存储 实现了d s p a c e 工具集可以在同一个数据平台上共享 数据 3 s 1 0 n 来自车载嵌入式电控系统e c u 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 a t i a c c u r a t et e c h n o l o g i e si n c 的v i s i o n 功能强大 与 m a t l a b s i m u t i n k 开发平台无缝连接 v i s i o n 标定系统的同名上位机软件v i s i o n 8 第1 章绪论 是基于p c 和u s b 接口的高端软件 它通过下列接口和其它硬件通讯连接 p c m c i a 卡 u s b t o c a n v i s i o n 网络门户接口或内存模仿器 a t iv i s i o n 测试标定系统的主要特点是 支持多种e c u 界面 完善的e c u 数据库管理系统 数据采集和后处理功能强大 e c u 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e c u 测试 开发 标定 系统平台 该系统可用于刹车e c u 车身e c u 车内温控e c u 发动机e c u 自 动变速箱e c u 及其它工程机械控制系统等 除了以上三种常见的汽车e c u 上位机标定工具 还有一些其它的 如北京 风丘科技的v i s u a ls c o p e 该工具可实现基于x c p 协议的e c u 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e c u 标定系统时也有利用 l a b v i e w 或m a t l a b s i m u l i n k 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m a t l a b 的c c pm c d n 0 我国在汽车e c u 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c c p 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e c u 标定系统n 羽以及重庆邮电大学的基于c c p 协议的汽车e c u 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c e c u c e n t r e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n it 进行基于c c p 的参数在线标定 本论文的主要研究内容有以下几点 1 查阅t ic 2 0 0 0 系列d s p 软硬件开发相关书籍和文档 进行相应练习 熟悉其开发流程 2 用t ic 2 0 0 0 系列中的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 作为主芯片实现锂电池管理系统的 c e c u 硬件电路 3 遵循v m o d e 开发流程 用m a t l a b s i m u li n k 实现锂电池管理系统的自 动代码生成 4 查阅c c p 协议相关文档 在熟悉c c p 协议规范的基础上开发c c pd r i v e r 以及c c pd r i v e r 里要调用到的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的c a nd r i v e r 并将c c p 9 第l 章绪论 d r i v e r 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c a n a p e 作为上位机标定工具实现对锂电池管理系 统进行r a m 和f l a s h 标定 6 开发b o o t l o a d e r 实现通过c a n 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f r e e s c a l e 的1 6 位单片机作为 主芯片 但由于电池管理系统在处理s o c 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f r e e s c a l e 单片机的 原系统转移到运算功能强大的3 2 位d s p 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c c p 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c e c u 的开发周期 另外 本课 题的标定系统稍作修改后也可用于其他汽车e c u 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 v m o d e 在此 基础上着重介绍了v m o d e 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 1 0 第2 章基于d s p 的电池管理系统的实现 第2 章基于d s p 的锂电池管理系统的实现 v m o d e 的开发流程以其强大的优势必然成为汽车e c u 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t id s p 实现了硬件电路 然后根 据v m o d e 开发流程思想实现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 o p e nc i r c u i t v o l t a g e o c v 是其荷电状态 s t a t eo f c h a r g e s o c 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1 0 0 s o c 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s o c 具有一一对应的关系 因此锂离子电池管理系统中可以增加均 衡电路 e q u i l i z a t i o nu n i t e q u 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s o c 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f c e 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s o c 温度和s o h 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d s p 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 b m s 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e c u 统一管理 称之为l e c u l o c a le l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t 然后几个模块的l e c u 由一个c e c u c e n t r a le l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 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l e c u 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 1 2 第2 章基y d s p 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 c e c u 和l e c u 又分工不同 其中 c e c u 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a 2 电池组状态估计 开路电压 0 c v 初始s o c s o c i n i t 初始放电深度 d o d 充放电次数 n 电池组容量 c s o c 估算 3 最大充电功率p d n 姒和最大放电功率p 一的相关参数计算t 参照p n 蕊 与d o d 或s o c p d n 矾与d o d 或s o c 的关系曲线查表得出p d 蝴 和 p m 麒后需计算最大允许充电电流i c m 引最大允许放电电流i d 懈等 通 过c a n 总线将这些数据传输给v m s 由v m s 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 e c u v m s 之间的通讯 与v m s 之间的通讯主要有两方面 一是接收 v m s 的广播帧信号和v m s 的控制命令的同时发送给v m s 蓄电池及管理系 统的相关状态信息 并协助v m s 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1 5 分钟之后开 启e o u 均衡电路对蓄电池进行均衡 在整车启动时 立即关闭e q u 平衡 电路 使蓄电池处于良好的准备工作状态 在开启l e c u 电源之后 开 1 3 第2 章基于d s p 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 l e c u 启动对c e c u 周期性数据传输 同时接收l e c u 周期性发送的数据 并计算单体电池电压最大值 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v m s 把单体电池电压平均值发送给 l e c u 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v m s 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c a n 总线传递给v m s 由v m s 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 b m s 仍 需每隔一定的时间对电池进行监控 在较长时间停车时b m s 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b m s 必须进入 低功耗模式 当汽车开动时 从k l l 5 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 l e c u 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c e c u 之间通讯交换数据 4 控制e q u 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c e c u 2 3 基于d s p 的锂电池管理系统c e c u 的硬件实现 2 3 1 主芯片的选择 从b m s 的功能可以看出 该电控单元在控制方面的功能只占b m s 的小部分 在实时参数估计 s o c 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c e c u 原采用f r e e s c a l e 的单片机m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 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 1 4 第2 章基于d s p 的电池管理系统的实现 b m s 的要求 德州仪器 t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系歹i j d s p 集微控制器和高性 能d s p 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 j d s p 上整合了f l a s h 存储器 快速高精度的a d 转换器 两路增强的 c a n 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 3 2 位定 点运算的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s p 能够在一个周期内完成3 2 3 2 位的乘法累加运算 或两个1 6 1 6 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 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 芯片的主要性能如下 1 高性能静态c m o s 技术 10 0 m h z 时钟周期6 6 7 n s 低功耗 内核电压1 8 v i o 口电压3 3 2 j t a g 边界扫描 b o u n d a r ys c a n 支持 3 高性能的3 2 位中央处理器 1 6 位 1 6 位和3 2 位 3 2 位乘且累加操作 哈佛总线结构 4 片内存储器 6 4 k x1 6 位的f l a s h 存储器 4 k x1 6 位的b o o t r o m 1 8 k 1 6 位的单口随机存储器 s a r a m 5 串口外围设备 同步串行接口s p i 两个异步串行通讯接口s c i 标准的u a r t 增强型的控制器局域网e c a n 多通道缓冲串行接口m c b s p 和串行外围接口模式 6 1 6 通道1 2 位的模数转换器 2 8 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 n s 最小单路转换时间6 0 n s 7 低功耗和节能模式 表2 1c e c u 两种控制芯片的比较 15 第2 章基于d s p 的电池管理系统的实现 项目m c 9 s12 d p 2 5 6t m 3 2 0 f 2 8 0 8 结构冯 诺依曼哈佛 p i p e l i n e 无8 c p u 字长1 6 b i t3 2 b i t 总线频率 m a x 2 5 m h z1 0 0 m h z i o 电压 c o r e 电压5 v3 3 1 8 相应的单指令周期 4 0 n s1 0 n s 2 5 m h z 频率下定点1 0 0 m h z 频率下定点 单次乘法运算耗时 1 6 b i t 1 6 b i t 需1 2 0 n s3 2 b i t 3 2 b i t 需4 2 n s 是否有m a c n o y e s f l a s h2 5 6 k 宰86 4 k 乖1 6 r a m 1 2 k 奉8 1 8 k 1 6 e e p r o m 4 k 木8l k 幸1 6o t p r o m a d c 精度1 0 b i t1 2 b i t a d 最小转换时间7 u s1 6 0 n s a d 电压范嗣0 5 v0 3 v a d 通道数2 81 6 c a n5 路2 路 从表2 1 的比较来看 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的运算性能明显优于m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 而 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 丰富的外设和片内存储容量也完全满足b m sc e c u 的要求 同时 近期版本 m a t l a b 7 0 及更高版本 的m a t l a b s i m u l i n k 在t a r g e tf o r t ic 6 0 0 0 的基础 上也集成了t ic 2 0 0 0 系歹j j d s p 的开发工具包t a r g e tf o r t ic 2 0 0 0 非常便于本论文 后面将要提到的v 模式下的e c u 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t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 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 t m s 3 2 0 f