關鍵字：電池管理系統；SD卡；FAT32；數據存儲
1 SD卡硬件電路設計
SD是新一代半導體存儲設備卡，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位數據線并用），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），并且通信協議也十分簡潔的優點。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 軟件程序設計
軟件設計主要難點是SD卡驅動與FAT32文件系統的結合方式設計。FAT32文件系統的實現有一定的復雜性，如果設計地不好不但會浪費大量CPU資源，而且可能造成數據丟失、覆蓋等嚴重后果。采用傳統數據流式程序設計思想實現起來比較困難，Debug也很不方便。本設計引用現代Windows操作系統慣用的層次模型劃分的方法開發了一套基于SD卡的FAT32文件系統協議包，具有層次分明、結構緊湊、可移植性強及邏輯清晰的特點。
2.1 FAT32文件系統
FAT32是由Microsoft設計并運用得非常成功的文件系統。至今FAT32依然占據著Microsoft Windows文件系統中重要的地位。FAT32改進了FAT16和FAT12不支持大分區、單位簇的容量過大以致空間急劇浪費等缺點。由引導扇區、FAT表、根目錄和數據區4大部分組成。圖3標出了FAT32分區的基本構成，FAT2是FAT1的備份，用于在FAT1損壞時修復。
圖3 FAT32文件存儲系統構成
FAT表（File AllocatiON Table文件分配表）記錄文件在介質上的放置位置，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簇存放結束。從表中可以看出文件是可以非連續存放的，這樣可以充分利用SD存儲介質的空間，并且可以保證存放BMS采集數據不會發生重疊，沖掉以前數據。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關系
表3 FAT32記錄項的取值含義
系統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表中找出這相應個數的空閑簇，并其修改記錄項的取值使之首尾連成一串。然后在目錄表中創建一個新的文件項，并記錄它在介質上存放的首簇號。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文件系統目錄的記錄項的結構定義如表4所示。
表4 FAT32目錄記錄項的結構定義
2.2 SD卡SPI通信協議
發送給SD卡的命令采用6字節的格式如表5所示。命令的第1個字節可通過將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個字節中提供一個32位的參數，最后1個字節包含了從第1個字節到第5個字節的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 下位機軟件設計
下位機SD存儲卡驅動程序采用層次化的方法設計，從下到上的關系如圖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相關的，SD卡命令集則實現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文件系統層使用。FAT32文件系統層即實現了按照FAT32文件系統要求的文件存儲方案。最上層是BMS應用層，負責將BMS系統采集的電池包狀態信息打包并以FAT32形式存儲到SD卡上。因為本系統只需要文件保存功能，故FAT32文件系統層和SD卡硬層都做了精簡處理，這樣明顯減少了驅動設計時的復雜程度。
圖4 層次式SD卡驅動程序
3 數據處理
電動汽車在運行時，BMS會連續產生大量的監測數據，這些數據分可為監測量和診斷量。監測量為實時測量動力母線上的電壓、電流、動力電池箱內的模塊電壓和溫度等；診斷量為BMS對實時量的處理結果，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的數據。
表7 數據記錄格式
記錄的歷史數據對于電池工藝優化、整車控制器（VMS）研發以及BMS研發都有重要意義。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 數據分析詳例
4 結論
本文設計的基于PSD卡技術實現的動力汽車電池管理系統海量歷史數據存儲系統，解決了以往電池管理系統在線工作數據難以獲得的問題。為電池管理系統參數優化提供了大量的工作狀態歷史數據，有助于提高系統參數優化準確性，并為電動汽車用電池包特性的建模提供了基礎數據。實驗證明，采用經過精簡的SD存儲卡驅動模型有以下特點：存儲數據速度快，不影響正常電池管理工作；容錯性好，可能會出現
較多小體積文件，但無數據丟失的情況。經過實驗驗證，在數據記錄周期為10 ms的情況下，采用2 G容量的SD卡，可以不間斷地記錄xx年的歷史數據。