CN101318489A - 车载电池管理系统控制方法 - Google Patents

Abstract

一种属于车载蓄电池管理技术领域的基于实时操作系统的电池管理系统，包括：中央处理器、负载电压采集模块、总电压采集模块、模块电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、时间采集模块、CAN总线通讯模块、接触器控制模块。中央处理器分别与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、时间采集模块、CAN总线通讯模块、接触器控制模块相连。本发明将uc/OS－II多任务实时操作系统移植到中央处理器，使在实时操作系统调度下车载电池管理系统软件编制简化，提高了管理系统软件的执行效率，保证了数据采集的实时性，增强了系统工作的稳定性。

Description

车载电池管理系统控制方法

技术领域

本发明涉及电动车辆蓄电池管理系统控制方法，特别涉及一种基于实时操作系统的车载电池管理系统控制方法。

背景技术

随着汽车技术的发展，在对汽车安全性和可靠性要求提高的同时，人们对汽车的乘坐舒适性要求也越来越高，随之而来的车内辅助提高舒适性的用电设备也越来越多，比如：车载DVD、车载电脑、空调和其它车内多媒体设备等。车载蓄电池不仅需要在汽车启动时对启动机供电，而且需要在发动机停止工作和发电不足的情况下对车载的用电设备供电；因此，对车载蓄电池的管理不再仅仅是对车载电池电压的监控和单纯地关闭用电设备那么简单，为了增加车载蓄电池的使用寿命，对电池整个工作过程中的充放电电流、温度、电流、工作时间等工况进行全面实时监控和管理显得越来越有必要，车载电池管理系统的管理流程设计也越来越复杂。

现有电动车辆电池管理技术中，系统的设计大多采用分布式管理方式，采用多个模块，各模块拥有独立的中央处理器负责实现电池管理中的单一功能，所有模块整合实现对车载蓄电池的监控，各模块之间数据通讯连线多而复杂，这不仅使得电池管理系统的体积和成本增加，而且对电池数据的采集在时间上也存在延迟和丢失，各模块之间数据通讯的抗干扰能力也减弱，降低了电池管理系统的可靠性，也不满足产业化要求。

中国专利200710120418.6“电动车用镍氢电池管理系统”，设计了一种用于电动车镍氢电池的管理系统。该发明包括电池管理系统主机，电池电压、温度检测模块，风扇启、停控制及状态监测的风扇控制模块，电池的充放电容量检测由容量检测仪表实现，容量检测仪表由电池分流器取得电池充放电信息，并完成电池充放电容量的计算，电池电压、温度检测模块，风扇控制模块，电池容量检测仪表以及AGV均通过串口与电池管理系统主机通讯，单片机接有AGV(Automatic guided vehicle)控制计算机通讯串口及显示单元。这套电池管理系统中容量检测仪表采用分流器输入实现对电池充放电容量SOC的计算误差较大，对蓄电池的监控过程过于简单，不能有效延长电池的使用寿命，串口自身通讯速率的限制会导致各模块与主机间数据通讯产生延时。

中国专利200610031903.1“一种用于电动车辆的动力电池管理系统”，设计了一套用于电动车辆的动力电池管理系统，它基于CAN总线通讯技术，采用分层结构设计，也可以实现对电池组、单个电池的电压、电流、温度采集、数据分析均衡控制。包括主ECU、子ECU和双口RAM，主ECU单片机采用68376，子ECU单片机采用P89C668，双口RAM采用单片机AT29C040A，各单片机之间采用CAN总线进行数据传输。车用电池管理系统应具备功能多而体积小的特点，这套电动车辆电池管理系统采用了三个独立模块，导致了电池管理系统的体积和成本增加，双口RAM虽然实现了主ECU和子ECU之间的数据缓冲功能，但软件对RAM的访问操作耗费了CPU的资源，各模块之间的数据通讯降低了电池管理系统内部的抗干扰能力，降低了电池管理系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术电池管理系统监控效率不高和抗干扰能力弱的缺点，提供一种新的电动汽车电池管理系统，提高电池管理系统的监控效率和抗干扰能力。

为了提高车载电池管理系统中央处理器程序的监控效率和抗干扰能力，本发明将功能模块集中在一块电路板上，采用了一个中央处理器，将uc/OS-II多任务实时操作系统移植到中央处理器，使之可以工作在中央处理器中，提供任务管理、时间管理和资源管理功能，使得车载电池管理系统软件编制简化，管理系统软件的执行效率提高，数据采集实时性提高，系统工作的稳定性增强。

本发明采取以下的技术方案：

按照电池管理系统的功能要求，将电池管理系统划分为5个任务和2个中断，在多任务实时操作系统调度下，中央处理器周期采集负载电压、电池总电压、总电流、模块电压、电池温度、电池工作时间和接触器状态，根据充放电电流和电池工作时间计算出电池剩余电量SOC，结合电池的特性参数和SOC的范围实现充放电控制，判断当前SOC时电池允许的最大、最小充放电电流并通过CAN总线发送，根据采集得到的数据结合电池特性进行均衡化判断、风扇控制和故障诊断，检测比较采样数据得到电池的历史数据，当电池管理系统检测到钥匙断电信号时对历史数据进行掉电保存，然后将电池管理系统断电，通过CAN总线实现上位机对电池数据的在线标定，电池管理系统与整车设备采用CAN总线实现数据通讯，根据收到的CAN总线预充电命令控制接触器通断，当满足预充电成功条件则接通高压系统的正、负端接触器将蓄电池与高压系统接通。

本发明所基于的硬件系统包括中央处理器、负载电压采集模块、总电压采集模块、模块电压采集模块、电流采集模块、温度采集和风扇控制模块、时间采集模块、CAN总线通讯模块、接触器控制模块。上述各个模块统一集成在一块电路板上。中央处理器分别与负载电压采集模块、总电压采集模块、模块电压采集模块、电流采集模块、温度采集和风扇控制模块、时间采集模块、CAN总线通讯模块、接触器控制模块相连。本发明中央处理器选用FREESCALE公司的16位微控制器MC9S12DG256，该控制器自带256K的FLASH EEPROM和4K的EEPROM可用于历史数据的保存。本发明的负载电压检测模块和温度采集模块中，电压传感器和温度传感器的输出与微控制器内置的10位AD转换模块相连。本发明的总电压采集模块、总电流采集模块和模块电压采集模块的传感器输出通过模数转换芯片ADE7753将模拟信号转换为数字信号后采用SPI方式与微控制器的SPI口进行数据通讯。本发明的时间采集模块采用时间芯片PCF8583记录时间，从系统安装运行开始，该时间芯片能够连续记录长达4年的时间，管理系统上电后，时间芯片由管理系统电源供电，管理系统断电后，时间芯片由电路板上的钮扣电池供电；微控制器通过IIC总线与时间芯片PCF8583通讯。本发明的中央处理器通过片内AD模块读取电池温度值，采用PWM方式控制冷却风扇，当温度值超过35℃则启动冷却风扇，当温度值低于32℃则停止冷却风扇，当风扇连续30分钟没有工作则启动冷却风扇工作2分钟。本发明接触器控制模块包括3路接触器：高压系统正端接触器、负端接触器和预充电接触器的通断控制和2路接触器：高压系统正端接触器、负端接触器的状态检测，中央处理器根据接收到的CAN总线预充电控制命令通断3路接触器，根据规定时间内负载电压是否达到门限值的预充电成功条件，决定是否接通高压系统，预充电成功后接通高压系统，通过检测2路接触器状态和负载电压的范围判断接触器是否失效，并向CAN总线发送报警信息。本发明采用CAN总线实现与整车设备之间的数据通讯，中央处理器可将采集得到的数据和诊断出的电池管理系统故障信息整理成CAN消息帧发送到总线，同时可接收总线上有用的CAN消息帧，该中央处理器内部集成了CAN控制器，通过外接CAN收发器与外部CAN设备相连。

本发明将uc/OS-II多任务实时操作系统移植到中央处理器，使操作系统能够工作在中央处理器上，提供任务管理、时间管理和资源管理。在操作系统的管理下，中央处理器包括任务控制块、事件控制块、任务就绪表、任务优先级表和任务堆栈区。本发明的中央处理器中预先编制的程序共包括5个任务，2个中断，5个任务控制块、2个事件控制块和5个任务堆栈区，结合各任务的功能并且以便将来扩充应用软件的功能时不必对优先级进行大范围调整，本发明中分配Task1～Task5的优先级分别为10、15、20、30、35，2个中断分别为模数计数器定时中断和CAN消息接收中断。

结合本发明车载电池管理系统要完成的功能编制程序，中央处理器按照预先编制的程序工作。系统上电后，中央处理器关闭全局中断，初始化底层硬件接口，读取历史数据，根据上次断电时间和此次开机时间计算出系统停机时间，结合上电时刻的温度和开路电压修正EEPROM中上次断电保存的SOC值，得到本次开机时电池的剩余电量SOC初始值，初始化操作系统，创建消息邮箱和任务，分配任务栈大小以及各任务优先级，打开全局中断，启动片内定时器开始操作系统任务调度；任务栈区主要包括：

电流采样和时间检测，当前电池剩余容量SOC计算，根据SOC值进行电池的充放电控制任务区；

负载电压采集，根据负载电压和预充电成功条件完成预充电管理，温度采集和温度故障判断，冷却风扇控制任务区；

模块电压采样，总电压采样，接触器状态检测，根据采样值完成故障诊断，电池容量均衡化判断和历史数据保存任务区；

由定时中断触发，整理系统采集得到的数据和故障诊断的故障信息，打包和发送CAN信息帧的CAN总线通讯任务区；

由CAN接收中断触发，拆包接收到的CAN总线消息帧，根据总线消息命令完成预充电控制和CAN总线在线标定任务区；

本发明的创新点：将电池管理系统的各功能模块均集成在一块电路板，具备预充电管理功能，采用一个中央处理器，各模块直接与中央处理器相连，模块间不需要复杂的数据通讯连线，提高了功能模块的抗干扰能力，使车载电池管理系统具有结构简洁、体积小、成本低的特点；本发明将uc/OS-II多任务实时操作系统移植到中央处理器，将操作系统固化在微控制器中，uc/OS-II操作系统内核提供了任务管理、时间管理和资源管理功能，具有可裁剪、可剥夺、可确定、多任务、独立任务栈和中断管理等特点，使得车载电池管理系统软件编制简化，管理系统软件的执行效率提高，数据采集实时性提高，系统工作的稳定性和可靠性增强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中央处理器的主程序流程图；

图3是本发明中央处理器任务1子程序流程图；

图4是本发明中央处理器任务2子程序流程图；

图5是本发明中央处理器任务3子程序流程图；

图6是本发明中央处理器任务4子程序流程图；

图7是本发明中央处理器任务5子程序流程图；

具体实施方式

本发明电池管理系统整体结构如图1所示，包括中央处理器、负载电压采集模块、总电压采集模块、模块电压采集模块、电流采集模块、温度采集和风扇控制模块、时间采集模块、CAN总线通讯模块、接触器控制模块。负载电压和温度采集模块输出与中央处理器的AD口相连，总电压采集模块、电流采集模块、模块电压采集模块经过ADE7753模数转换芯片后与中央处理器的SPI口相连，中央处理器通过PWM方式控制冷却风扇工作和高压系统正端接触器、负端接触器和预充电接触器的通断，时间采集模块采用IIC总线与中央处理器通讯，中央处理器片内集成的CAN控制器外接CAN收发器与外界CAN总线设备通讯，高压系统正端接触器和负端接触器的状态直接通过IO口输入到中央处理器。在uc/OS-II多任务实时操作系统管理下，中央处理器启动各模块采集得到负载电压、电池总电压、总电流、模块电压和电池温度，完成预充电管理、电池电量SOC的计算和充放电控制、电池容量均衡化判断、电池系统故障诊断、电池温度监控和冷却风扇控制、历史数据记录和CAN总线在线标定和通讯功能。

图2为中央处理器程序的主控制流程。系统上电后，中央处理器主程序首先关闭全局中断，初始化底层硬件接口，包括片内A/D、IO、SPI、CAN、定时器ECT、PWM、IIC、模数计数器，读取EEPROM中的历史数据，根据上次断电时间和此次开机时间计算出系统停止工作的时间，结合上电时刻的温度和开路电压修正EEPROM中上次断电保存的SOC值，得到本次开机时电池的剩余电量初始值，然后初始化操作系统，包括初始化任务控制块、事件控制块，创建空闲任务和统计任务，创建两个消息邮箱事件控制块和任务Task1～Task5，并分配各任务栈大小以及各任务优先级，最后主程序打开全局中断(包括系统的定时中断、模数计数器定时中断和CAN接收中断)，启动操作系统的任务调度，等待任务响应。

操作系统启动多任务调度后，中央处理器则等待各任务的响应。图3～图7分别为Task1～Task5对电池的监控管理流程。

任务1：每执行一次则延时等待10ms，读取上次计算SOC的时间和当前的时间，计算出相邻两次的时间间隔，当预充电成功(高压系统的正、负端接触器闭合，预充电接触器断开)后，采样电流，根据采样电流值的正负判断充放电状态，判断电流是否过充或过放，根据相邻两次时间间隔和充放电状态按照安时积分法计算SOC变化量，与上次SOC值进行叠加得到当前的SOC值，根据电池SOC值结合当时的电流和温度完成充放电控制，得出电池允许的充放电电流值；当预充电未成功，则该任务被延时等待。

任务2：每执行一次则延时等待50ms，每50ms完成一次负载电压检测，当负载电压检测时间到但预充电操作已经完成(高压系统正、负端接触器闭合、预充电接触器断开即预充电操作成功，或高压系统正、负和预充电接触器均断开即预充电操作失败)，则进入温度检测和风扇控制操作，若负载电压检测时间到而预充电操作未完成(高压系统负端接触器和预充电接触器闭合但高压系统正端接触器断开即处于预充电过程)，则采样负载电压，比较负载电压是否在规定时间1s内达到预充电成功电压阀值要求，若1s后负载电压仍未达到要求则预充电超时故障，断开3个接触器，预充电失败；若1s内预充电成功，则断开预充电接触器并接通高压系统正端接触器，蓄电池接通高压系统；若负载电压检测周期未到则完成温度检测和风扇控制，当温度采样时间到，则检测电池温度，根据温度值完成温度故障判断，当温度超过35℃则启动冷却风扇，当温度低于32℃则关闭冷却风扇，每10s检测一次是否连续30分钟风扇都未工作，若是，则启动风扇工作2分钟，若风扇连续30分钟内曾经工作，则该任务延时等待。

任务3：每执行一次则延时等待50ms，采样模块电压和总电压，比较总电压和故障阀值完成总电压的过压和欠压故障诊断；通过中央处理器IO读取2个接触器(高压系统正、负端接触器)的状态，结合负载电压的范围判断接触器是否失效：若正、负端接触器都已闭合而负载电压低于阀值则说明接触器失效，若正端或负端接触器有一个断开而负载电压高于阀值也说明接触器失效；分别比较总电压、电流和温度的当前值和EEPROM中保存的对应最大最小值，得到最新的历史数据并替换EEPROM中对应区域的值；检查钥匙断电请求信号，若钥匙断电请求信号为高电平则完成历史数据保存和电池容量均衡化判断后切断电池管理系统的电源，若未检测到钥匙断电请求信号，则该任务延时等待。

任务4：接收模数计数器定时中断发送的同步消息邮箱，整理系统采集得到的数据和故障诊断的故障信息，周期发送CAN信息帧到CAN总线。

任务5：接收CAN接收中断发送的同步消息邮箱，拆包CAN消息帧，根据CAN消息帧命令分三种情况处理：1、预充电接通命令，接通预充电接触器和高压系统负端接触器，电池处于预充电过程2、收到预充电断开命令，将3个接触器断开，则电池与高压系统断开3、收到CAN标定帧，根据标定帧要求，完成CAN总线的在线标定。

Claims (3)

1、一种车载电池管理系统控制方法，其特征在于中央处理器监控电池总电压、总电流和模块电压，管理电池预充电，计算电池电量和控制充放电，进行电池容量均衡化判断和电池系统故障诊断，并控制电池温度监控和冷却风扇，记录电池工作过程中的历史数据，实现CAN总线在线标定和通讯功能。

2、根据权利要求1所述的车载电池管理系统控制方法，其特征在于：中央处理器通过片内AD模块读取电池温度值，采用等脉宽PWM方式控制冷却风扇，通过改变脉冲的宽度或占空比调节输出电压；总电压、总电流和实践采集模块中的模数芯片ADE7753采用SPI协议与中央处理器通讯；时间采集模块中的时间芯片PCF8583采用IIC协议与中央处理器通讯；接触器控制模块控制高压系统正端接触器、负端接触器和预充电接触器的通断，检测高压系统正端接触器、负端接触器的状态；中央处理器根据接收到的CAN总线预充电控制命令控制高压系统正端接触器、负端接触器和预充电接触器的通断，通过中央处理器片内AD模块读取负载电压，根据规定时间内负载电压是否达到门限值的预充电成功条件，决定是否接通高压系统；通过检测高压系统正端接触器、负端接触器状态，结合负载电压的范围判断接触器是否失效，并向CAN总线发送报警信息；中央处理器在检测到钥匙断电信号时完成历史数据的保存；上位机通过CAN总线对电池管理系统的在线标定；由CAN总线实现与整车设备之间的数据通讯。

3、按照权利要求1所述的车载电池管理系统控制方法，其特征在于该电池管理系统上电后，中央处理器首先关闭全局中断，初始化底层硬件接口，包括AD、IO、SPI、CAN、片内定时器ECT、PWM、IIC、模数计数器，读取历史数据，根据上次断电时间和此次开机时间计算出电池管理系统停机时间，结合上电时刻的温度和开路电压，修正EEPROM中上次断电保存的SOC值，得到本次开机时电池的剩余电量初始值，然后初始化操作系统，创建消息邮箱和任务，分配任务栈大小以及各任务优先级，打开全局中断，启动片内定时器开始操作系统任务调度；任务栈区主要包括：

电流采样和时间检测，当前电池剩余容量SOC计算，根据SOC值进行电池的充放电控制任务区；

负载电压采集，根据负载电压和预充电成功条件完成预充电管理，判断温度采集和温度故障，冷却风扇控制任务区；

模块电压采样，总电压采样，接触器状态检测，根据采样值完成故障诊断，电池容量均衡化判断和历史数据保存任务区；

由定时中断触发，整理系统采集得到的数据和故障诊断的故障信息，打包和发送CAN信息帧的CAN总线通讯任务区；

由CAN接收中断触发，拆包接收到的CAN总线消息帧，根据总线消息命令完成预充电控制和CAN总线在线标定任务区。

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