關(guān)鍵字：電池管理系統(tǒng)；SD卡；FAT32；數(shù)據(jù)存儲
1 SD卡硬件電路設(shè)計
SD是新一代半導(dǎo)體存儲設(shè)備卡，其外形及引腳定義如圖1、表1所示。SD卡工作電壓為2.0～3.6 V，最大讀寫速度達10MB／s（4位數(shù)據(jù)線并用），并且提供了SD和SPI兩種通信模式。在使用時，主機只能通過其中一種方式與SD卡進行通信，該模式通過上電后檢測Reset命令來決定。本系統(tǒng)采用SPI方式操作SD卡，因為該方式具有接口電路簡單（DSP芯片TMS320LF2407A提供SPI接口），并且通信協(xié)議也十分簡潔的優(yōu)點。因為DSP芯片TMS320LF2407A的SPI模塊高電平剛好是3.3 V，所以SD卡座可直接與TMS320LF2407A的SPI引腳連接，其連線方式如圖2所示。
圖1 SD卡外形
表1 SD卡引腳定義
圖2 SD卡連接電路
2 軟件程序設(shè)計
軟件設(shè)計主要難點是SD卡驅(qū)動與FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)合方式設(shè)計。FAT32文件系統(tǒng)的實現(xiàn)有一定的復(fù)雜性，如果設(shè)計地不好不但會浪費大量CPU資源，而且可能造成數(shù)據(jù)丟失、覆蓋等嚴重后果。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流式程序設(shè)計思想實現(xiàn)起來比較困難，Debug也很不方便。本設(shè)計引用現(xiàn)代Windows操作系統(tǒng)慣用的層次模型劃分的方法開發(fā)了一套基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)協(xié)議包，具有層次分明、結(jié)構(gòu)緊湊、可移植性強及邏輯清晰的特點。
2.1 FAT32文件系統(tǒng)
FAT32是由Microsoft設(shè)計并運用得非常成功的文件系統(tǒng)。至今FAT32依然占據(jù)著Microsoft Windows文件系統(tǒng)中重要的地位。FAT32改進了FAT16和FAT12不支持大分區(qū)、單位簇的容量過大以致空間急劇浪費等缺點。由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)4大部分組成。圖3標出了FAT32分區(qū)的基本構(gòu)成，F(xiàn)AT2是FAT1的備份，用于在FAT1損壞時修復(fù)。
圖3 FAT32文件存儲系統(tǒng)構(gòu)成
FAT表（File AllocatiON Table文件分配表）記錄文件在介質(zhì)上的放置位置，即簇號序列。每個表項記錄的簇號都是32位的，故這個方法稱為FAT32。表2所示是一段簡化的FAT表，第2簇記錄根目錄存放位置，第3簇記錄某文件存儲的下一簇號（該文件從本簇即第3簇開始存放）是6號，第6號又記錄接下來的簇號……，至到標記FF表示文件結(jié)束。同樣道理從第12簇開始存放另一個文件，該文件在第93簇存放結(jié)束。從表中可以看出文件是可以非連續(xù)存放的，這樣可以充分利用SD存儲介質(zhì)的空間，并且可以保證存放BMS采集數(shù)據(jù)不會發(fā)生重疊，沖掉以前數(shù)據(jù)。表3列出了FAT表各記錄項的取值含義。
表2 FAT表與文件存位置的對應(yīng)關(guān)系
表3 FAT32記錄項的取值含義
系統(tǒng)在存儲一個文件時先計算出需要幾個簇的空間來存放，再從FAT表中找出這相應(yīng)個數(shù)的空閑簇，并其修改記錄項的取值使之首尾連成一串。然后在目錄表中創(chuàng)建一個新的文件項，并記錄它在介質(zhì)上存放的首簇號。這樣在讀文件時，只要直接從目錄表中找到該文件的記錄項，獲取它的首簇號就能把文件讀出來了。FAT32文件系統(tǒng)目錄的記錄項的結(jié)構(gòu)定義如表4所示。
表4 FAT32目錄記錄項的結(jié)構(gòu)定義
2.2 SD卡SPI通信協(xié)議
發(fā)送給SD卡的命令采用6字節(jié)的格式如表5所示。命令的第1個字節(jié)可通過將6位命令碼與16進制碼0x40進行或運算得到。如果命令需要，則在接下來的4個字節(jié)中提供一個32位的參數(shù)，最后1個字節(jié)包含了從第1個字節(jié)到第5個字節(jié)的CRC-7校驗和。表6列出了部分SD存儲卡SPI命令的解釋。
表5 SD卡SPI模式6字節(jié)命令格式
表 6 部分SD存儲卡SPI模式下命令
2.3 下位機軟件設(shè)計
下位機SD存儲卡驅(qū)動程序采用層次化的方法設(shè)計，從下到上的關(guān)系如圖4所示。下一層提供面向上一層的接口支持。其中SPI硬件層是與BMS中所采用的芯片TMS320LF2407A相關(guān)的，SD卡命令集則實現(xiàn)DSP與SD存儲卡通信需要的SPI命令集的子集，SD卡API層包裝好SD卡命令集，使其便于FAT32文件系統(tǒng)層使用。FAT32文件系統(tǒng)層即實現(xiàn)了按照FAT32文件系統(tǒng)要求的文件存儲方案。最上層是BMS應(yīng)用層，負責(zé)將BMS系統(tǒng)采集的電池包狀態(tài)信息打包并以FAT32形式存儲到SD卡上。因為本系統(tǒng)只需要文件保存功能，故FAT32文件系統(tǒng)層和SD卡硬層都做了精簡處理，這樣明顯減少了驅(qū)動設(shè)計時的復(fù)雜程度。
圖4 層次式SD卡驅(qū)動程序
3 數(shù)據(jù)處理
電動汽車在運行時，BMS會連續(xù)產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分可為監(jiān)測量和診斷量。監(jiān)測量為實時測量動力母線上的電壓、電流、動力電池箱內(nèi)的模塊電壓和溫度等；診斷量為BMS對實時量的處理結(jié)果，包括SOC、SOH和故障碼等。如表7所示為記錄安裝在某輛混合動力轎車上的144 V鎳氫RMS的數(shù)據(jù)。
表7 數(shù)據(jù)記錄格式
記錄的歷史數(shù)據(jù)對于電池工藝優(yōu)化、整車控制器（VMS）研發(fā)以及BMS研發(fā)都有重要意義。如對所記錄的總電壓、總電流以及SOC單獨繪圖如圖5所示。對總電流的大小和正負分布分析可以得到ISG電機的工作狀況；對SOC分析可以得到整車控制器（VMS）控制策略的效率；對總電壓分析可以得到電池的性能信息。
圖5 數(shù)據(jù)分析詳例
4 結(jié)論
本文設(shè)計的基于PSD卡技術(shù)實現(xiàn)的動力汽車電池管理系統(tǒng)海量歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，解決了以往電池管理系統(tǒng)在線工作數(shù)據(jù)難以獲得的問題。為電池管理系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了大量的工作狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，有助于提高系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化準確性，并為電動汽車用電池包特性的建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實驗證明，采用經(jīng)過精簡的SD存儲卡驅(qū)動模型有以下特點：存儲數(shù)據(jù)速度快，不影響正常電池管理工作；容錯性好，可能會出現(xiàn)
較多小體積文件，但無數(shù)據(jù)丟失的情況。經(jīng)過實驗驗證，在數(shù)據(jù)記錄周期為10 ms的情況下，采用2 G容量的SD卡，可以不間斷地記錄xx年的歷史數(shù)據(jù)。