基于DSP的汽車(chē)電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　汽車(chē)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)要求設(shè)計(jì)者必須縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。在傳統(tǒng)的汽車(chē)電子控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，控制器的總體設(shè)計(jì)、整體性能分析以及控制策略的優(yōu)化通常需要大量的時(shí)間、人力和物力，投資大、效率低。此外，這種開(kāi)發(fā)方法還容易出錯(cuò)，直到最終定標(biāo)時(shí)才進(jìn)入實(shí)時(shí)在線測(cè)試。如果在最初設(shè)計(jì)時(shí)出錯(cuò)而沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致大部分工作必須重新進(jìn)行，開(kāi)發(fā)周期變長(zhǎng)。可見(jiàn)傳統(tǒng)的研發(fā)方法無(wú)法滿足市場(chǎng)的需要，必需有一種新的設(shè)計(jì)理念來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

　　1 V模式的設(shè)計(jì)方法及自動(dòng)代碼生成

　　1.1 V模式的設(shè)計(jì)方法

　　如圖1，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，V模式的設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)工程學(xué)的原理應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，它是一種循環(huán)的設(shè)計(jì)模式。其特點(diǎn)是無(wú)論進(jìn)行開(kāi)發(fā)、編程或者測(cè)試，總是在同一環(huán)境下工作，開(kāi)發(fā)過(guò)程的每一步都可以得到驗(yàn)證［1］。它以功能強(qiáng)大的計(jì)算仿真工具為前提，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都是在同一個(gè)平臺(tái)下完成，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念的提出，到快速原型設(shè)計(jì)（Prototype），再到ECU產(chǎn)品的無(wú)縫連接。采用該方法的最直接效果就是加速和簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，及時(shí)消除錯(cuò)誤，大大減輕了工程師的工作量。

　　1.2 運(yùn)用Simulink實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼生成

　　自動(dòng)代碼生成處于V模式的最底層，是整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最為關(guān)鍵的一步，其目的是實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的快速迭代以提高開(kāi)發(fā)效率。代碼生成的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　圖2為基于MATLAB/Simulink的DSP自動(dòng)代碼生成流程［2］。Simulink是一種對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多域仿真和基于模型設(shè)計(jì)的平臺(tái)，它提供了一個(gè)交互式的圖形環(huán)境和豐富的模塊庫(kù)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，首先在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)模型，并且進(jìn)行仿真分析。使用Simulink調(diào)試器檢查仿真結(jié)果以及定位和診斷模型中的意外行為。一旦結(jié)果得到了驗(yàn)證，便可以通過(guò)RTW（Real-time workshop）自動(dòng)生成面向TI編譯器的C語(yǔ)言工程文件，并進(jìn)一步完成編譯、連接和下載，最終在硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

　　RTW是和MATLAB、Simulink一起使用的一個(gè)工具，運(yùn)用它直接從Simulink模型生成代碼并且自動(dòng)建立可以實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序。在默認(rèn)情況下，RTW生成的是高度優(yōu)化和完全注釋的Ｃ代碼。除了MATLAB function模塊和調(diào)用M文件S函數(shù)的模塊以外，任何Simulink模型都可以生成代碼，包括線性、非線性、連續(xù)、離散以及混合模型［3］。

　　從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，工程師只需在Simulink中搭建模型和驗(yàn)證模型的正確性，不需要書(shū)寫(xiě)任何代碼，即可得到可靠、準(zhǔn)確的代碼。

　　2 嵌入式Target for TI C2000工具箱

　　Target for TI C2000將TI公司的eXpressDSP工具集成到Simulink中，它是MATLAB與TI CCS的連接工具，可以使MATLAB、MATLAB工具箱、TI Code Composer Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（CCS IDE）以及RTDX（Real-Time Data Exchange）協(xié)同工作。

　　Target for TI C2000工具箱由三部分組成［3］：常用工具、芯片外圍設(shè)備模塊庫(kù)、優(yōu)化庫(kù)。常用工具包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換通道模塊、目標(biāo)控制器基本參數(shù)設(shè)置模塊和CAN通訊設(shè)置模塊。該工具箱支持C281x系列、C280x系列以及C2400系列的DSP。優(yōu)化庫(kù)包含定點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)和數(shù)字電機(jī)控制庫(kù)。

　　Simulink可支持四類C280x DSP外圍設(shè)備模塊庫(kù)：存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)模塊、中斷管理模塊、控制模塊以及通訊模塊。除了不支持IIC通訊模塊以外，該模塊庫(kù)對(duì)C280x DSP板上所有的模塊都提供了很好的支持。用戶在調(diào)用DSP的這些模塊時(shí)，只需對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和選擇，不需要關(guān)心底層是如何實(shí)現(xiàn)，整個(gè)模型的搭建過(guò)程就像堆積木一樣簡(jiǎn)單。

　　3 自動(dòng)生成代碼在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3.1 電池管理系統(tǒng)的功能描述

　　BMS燃料電池車(chē)用鋰離子電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)具備以下功能［4］：電池狀態(tài)監(jiān)控，包括電池工作電壓、工作電流和工作溫度的測(cè)量和信號(hào)處理；特定狀態(tài)下的最大充、放電功率計(jì)算；特定工況下電池組荷電狀態(tài)SoC（State of Charge）、壽命狀態(tài)SoH（State of Health）的估算；高壓預(yù)充電、過(guò)充和過(guò)放保護(hù)、絕緣檢測(cè)和漏電保護(hù)；電池的均衡和熱管理；故障診斷以及與整車(chē)控制器通訊。圖3為BMS系統(tǒng)框圖。

　　由于汽車(chē)在處于停車(chē)狀態(tài)時(shí)，BMS仍需每隔一定的時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控，所以在長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)時(shí)，BMS不可將蓄電池存儲(chǔ)的電量耗完，否則汽車(chē)將無(wú)法啟動(dòng)。因此在停車(chē)時(shí)，BMS必須進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)汽車(chē)開(kāi)動(dòng)時(shí)，從KL15傳來(lái)的點(diǎn)火信號(hào)將控制器從低功耗模式喚醒，進(jìn)入正常工作模式。

　　3.2 控制器的選擇

　　從BMS的功能可以看出，控制器起控制作用的功能只占BMS的小部分，在實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)、SoC估算中，算法復(fù)雜且運(yùn)算量大，控制器需要在較短的時(shí)間間隔內(nèi)完成復(fù)雜的遞推運(yùn)算，這對(duì)控制器的計(jì)算能力和計(jì)算速度要求更高。傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，由于單片機(jī)側(cè)重于控制而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力有限，所以無(wú)法很好地滿足BMS的要求。TI公司的TMS320C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。該系列DSP上整合了Flash存儲(chǔ)器、快速高精度的A/D轉(zhuǎn)換器、兩路增強(qiáng)的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設(shè)。32位定點(diǎn)運(yùn)算的C2808 DSP能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運(yùn)算。此外，可以在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)任何內(nèi)存地址完成讀取、修改、寫(xiě)入操作，使得效率和程序代碼達(dá)到最佳，完全滿足實(shí)時(shí)控制的要求［5］。

　　3.3 電池參數(shù)辨識(shí)和SoC估計(jì)算法

　　電池監(jiān)控必需先進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的電壓、電流以及溫度，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，從而間接地估計(jì)電池內(nèi)部的情況。圖4為鋰離子動(dòng)力電池模型［6］，模型中利用C0描述電池的容量，R0描述電池的等效歐姆內(nèi)阻，用時(shí)間常數(shù)較小的R1、C1環(huán)節(jié)描述鋰離子在電極間傳輸時(shí)受到的阻抗，時(shí)間常數(shù)較大的R2、C2環(huán)節(jié)描述鋰離子在電極材料中擴(kuò)散時(shí)受到的阻抗。該模型中的參數(shù)都可以通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的方法得到。

　　為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和跟蹤隨時(shí)間變化的參數(shù)，在辨識(shí)過(guò)程中采用遞推的最小二乘法。電池內(nèi)部參數(shù)根據(jù)電壓、電流信號(hào)每次的采樣值進(jìn)行更新，其基本思想是本次的估計(jì)值等于上一次的估計(jì)值加上一個(gè)修正項(xiàng)，修正項(xiàng)的大小取決于模型的輸出與實(shí)際輸出的差項(xiàng)。該方法要求在下次采樣之前必須完成一步遞推運(yùn)算。

　　在裝車(chē)運(yùn)行時(shí)，整車(chē)控制器需要BMS提供高精度的SoC，一般估計(jì)精度要小于5%。電池的SoC是不能直接得到的，只能通過(guò)對(duì)電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量間接估算得到。而且這些參數(shù)又與電池老化程度、電池單體不均勻性等有關(guān)。目前常見(jiàn)的方法有開(kāi)路電壓法、電流積分法等。

　　3.4 基于CAN總線的標(biāo)定模塊

　　由于汽車(chē)上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)連接的控制單元標(biāo)定和傳統(tǒng)的匹配標(biāo)定方法有很大的不同?；贑AN的電子控制單元的標(biāo)定是電池管理系統(tǒng)控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。CCP（CAN Cali-bration Protocol）是CAN總線的標(biāo)定協(xié)議，目前已經(jīng)得到汽車(chē)廠商的廣泛應(yīng)用。利用該協(xié)議可以快速有效地對(duì)控制器進(jìn)行標(biāo)定。在電池管理系統(tǒng)中，可以利用CCP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)試、傳感器的監(jiān)測(cè)和標(biāo)定、報(bào)警或出錯(cuò)閾值的調(diào)整以及通過(guò)CAN下載程序。

　　在傳統(tǒng)的手寫(xiě)代碼的控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于CCP協(xié)議的標(biāo)定需要支持CCP協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序。由于ECU底層程序和CCP協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序各不相同，將CCP驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合到ECU中需要耗費(fèi)大量時(shí)間。MATLAB 2007b中新增了基于CAN總線的標(biāo)定模塊。將該模塊放入Simulink模型中，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，便可以自動(dòng)生成能夠?qū)崿F(xiàn)CCP標(biāo)定的代碼了。

　　3.5 在Simulink中建立模型

　　在建模的最開(kāi)始必需把C2000 DSP chip support 中的F2808 eZdsp 模塊放到模型中。該模塊是對(duì)DSP的基本信息進(jìn)行設(shè)置，包括芯片的選擇、鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的選擇、存儲(chǔ)器地址分配，以及外圍設(shè)備的一些基本設(shè)置。

　　傳感器輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，對(duì)于模擬信號(hào)可以用A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)于數(shù)字信號(hào)可以用GPIO或者CAP捕獲模塊處理。經(jīng)硬件濾波后的模擬采樣信號(hào)還不夠理想，在該模型中可以對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，分析出噪聲信號(hào)的頻率特性，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)字濾波器，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾波。執(zhí)行器的控制可以用GPIO或者PWM模塊進(jìn)行控制。

　　由于SoC和SoH以及控制算法較為復(fù)雜，可以用S-function模塊實(shí)現(xiàn)。S-function是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述，是擴(kuò)展Simulink模塊庫(kù)的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語(yǔ)法，實(shí)現(xiàn)函數(shù)和Simulink解法器之間的交互。Simulink中的電池管理系統(tǒng)模型如圖5所示。

　　3.6 自動(dòng)代碼生成、編譯以及運(yùn)行

在Simulink中仿真運(yùn)行無(wú)誤后，便可以從模型直接生成控制算法代碼了。Simulink在內(nèi)部調(diào)用real-time workshop build 并且自動(dòng)打開(kāi)TI的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS，生成的代碼經(jīng)過(guò)編譯自動(dòng)生成可執(zhí)行的最終控制程序。