動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件之一,，由于其一致性差等原因易導(dǎo)致整組電池性能下降，從而直接影響到整車的可靠性與安全性,。為了滿足實(shí)際的整車控制需求而調(diào)整和優(yōu)化控制器中的控制參數(shù),，需要收集大量的工作數(shù)據(jù)，以便離線分析電池性能以及進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定,。傳統(tǒng)的收集數(shù)據(jù)方法通常是利用串口或CAN總線將即時(shí)數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī),，但是該方法還局限于實(shí)驗(yàn)階段，一般需要PC機(jī)參與,，在實(shí)際工作中的數(shù)據(jù)較難獲得,。國外有公司生產(chǎn)的基于CAN總線的行車記錄儀，體積較大且價(jià)格昂貴,，僅適用于整車廠研發(fā)新車時(shí)使用,。利用SD卡（Se-cure DIGItal Memory Card）輕巧、傳輸速度高,、容量大,、成本低、讀寫方便的優(yōu)點(diǎn),，以及在原有電池管理系統(tǒng)上配置方便的特點(diǎn),，本文設(shè)計(jì)了一種小巧的應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的海量歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)FAT32文件格式存儲，可以方便將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中,。一次換卡可以記錄1年的數(shù)據(jù),，為電池管理系統(tǒng)和電池特性的研究準(zhǔn)備了大量第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

　　1 SD卡硬件電路設(shè)計(jì)

　　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(dá)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(shí),，主機(jī)只能通過其中一種方式與SD卡進(jìn)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?yàn)樵摲绞骄哂薪涌陔娐泛唵危―SP芯片TMS320LF2407A提供SPI接口）,，并且通信協(xié)議也十分簡潔的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)镈SP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(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)是SD卡驅(qū)動(dòng)與FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)合方式設(shè)計(jì),。FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有一定的復(fù)雜性,，如果設(shè)計(jì)地不好不但會浪費(fèi)大量CPU資源，而且可能造成數(shù)據(jù)丟失,、覆蓋等嚴(yán)重后果,。采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流式程序設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)起來比較困難，Debug也很不方便,。本設(shè)計(jì)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(qiáng)及邏輯清晰的特點(diǎn),。

　　2.1 FAT32文件系統(tǒng)

　　FAT32是由Microsoft設(shè)計(jì)并運(yùn)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(jìn)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(fèi)等缺點(diǎn)。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(biāo)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(shí)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(gè)表項(xiàng)記錄的簇號都是32位的,，故這個(gè)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(biāo)記FF表示文件結(jié)束,。同樣道理從第12簇開始存放另一個(gè)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(xiàng)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(xiàng)的取值含義

　　系統(tǒng)在存儲一個(gè)文件時(shí)先計(jì)算出需要幾個(gè)簇的空間來存放,，再從FAT表中找出這相應(yīng)個(gè)數(shù)的空閑簇,，并其修改記錄項(xiàng)的取值使之首尾連成一串。然后在目錄表中創(chuàng)建一個(gè)新的文件項(xiàng),，并記錄它在介質(zhì)上存放的首簇號。這樣在讀文件時(shí),，只要直接從目錄表中找到該文件的記錄項(xiàng),，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(xiàng)的結(jié)構(gòu)定義如表4所示,。

表4 FAT32目錄記錄項(xiàng)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(gè)字節(jié)可通過將6位命令碼與16進(jìn)制碼0x40進(jìn)行或運(yùn)算得到。如果命令需要,，則在接下來的4個(gè)字節(jié)中提供一個(gè)32位的參數(shù),，最后1個(gè)字節(jié)包含了從第1個(gè)字節(jié)到第5個(gè)字節(jié)的CRC-7校驗(yàn)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)SD存儲卡驅(qū)動(dòng)程序采用層次化的方法設(shè)計(jì),，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(shí)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(shí)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(fù)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?yàn)楸鞠到y(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(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)的復(fù)雜程度,。

圖4 層次式SD卡驅(qū)動(dòng)程序

　　3 數(shù)據(jù)處理

　　電動(dòng)汽車在運(yùn)行時(shí),，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(shí)時(shí)測量動(dòng)力母線上的電壓,、電流、動(dòng)力電池箱內(nèi)的模塊電壓和溫度等,；診斷量為BMS對實(shí)時(shí)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(dòng)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(dú)繪圖如圖5所示。對總電流的大小和正負(fù)分布分析可以得到ISG電機(jī)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(jì)的基于PSD卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)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(zhǔn)確性,，并為電動(dòng)汽車用電池包特性的建模提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),。實(shí)驗(yàn)證明，采用經(jīng)過精簡的SD存儲卡驅(qū)動(dòng)模型有以下特點(diǎn)：存儲數(shù)據(jù)速度快,，不影響正常電池管理工作,；容錯(cuò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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)。