鉅大LARGE | 點擊量：1578次 | 2021年08月08日
動力鋰離子電池BMS處理辦法——SO26262
作為新能源三電核心技術之一，bMS在HEV/EV中發(fā)揮著緊要用途。廣義上，bMS蘊含傳統(tǒng)的12/24?V鉛酸蓄電池管理，但這里討論的bMS緊要是針對HEV/EV的管理，從48?V的弱混動到500?V以上的純電動，的bMS處理辦法都可以傾覆。一般來說，bMS由一個主控單元和多個從控單元組成，從控單元筆直連接電池組(batterypack)，采集電池的電壓、和溫度等，主控通過CAN或DaisyChain(菊花鏈)通信等方式管理多個從控單元。
按照新能源汽車對電池管理系統(tǒng)的需求，bMS具備的功能包括SoC/SoH、故障診斷、均衡控制、熱管理和管理等(見圖1)。SoC即電池狀態(tài)，用于掂量電池剩余電量，有關判斷汽車可行駛里程十分緊要。故障診斷用于判斷電池的當前狀態(tài)，及時正確識別電池的過壓、欠壓或過溫等異常情況有助于戒備事故發(fā)生。均衡控制緊要是消除單體電池之間的容量差異，達到一致性，延長電池使用壽命。
隨著軟硬件復雜性提高，來自系統(tǒng)失效和隨機硬件失效的風險日益新增，隨著汽車行業(yè)標準的公布，使得人們對功能安全有了深入的理解，對評估、戒備這些風險供應了可靠的流程保證。電池管理bMS引入ISO26262標準，不僅是順應技術趨勢的發(fā)展需求，而且實在能為bMS帶來質的變化，從長遠來看，有利于行業(yè)健康發(fā)展。
bMS功能安全開發(fā)流程
ISO26262含義的功能安全標準涵蓋了產品的管理、開發(fā)、加工、經營、服務和報廢等階段，傾覆了產品的整個生命周期，產品開發(fā)時緊要關注的階段有概念、系統(tǒng)級開發(fā)、硬件開發(fā)和軟件開發(fā)等階段。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在功能安全概念階段要做系統(tǒng)危害分解(HazardAnalysis)和風險評估(RiskAssessment)，得出完整性等級ASIL(AutoiveSafetyIntegrityLevel)。ISO26262標準規(guī)定了A到D四個安全等級，其中D級為最高等級，相應的需求最為苛刻。一般而言，主流車廠認為bMS要達到的安全等級至少是ASIL-C。在得出安全等級ASIL后，要設立安全目標(SafetyGoal)，并提出相應的安全需求(SafetyRirement)和(SafetyMechanism)，并在必要的時候做功能安全等級分析(見圖2)。
ISO26262給出了三個指標：單點故障指標SpFM、潛在故障指標LFM和隨機硬件失效指標pMHF，用于評估等級。
例如：在bMS開發(fā)過程中，對bMS的危害分解有過壓(過充)、欠壓、過溫柔過流等危害事件進行監(jiān)測。如過壓，可能是一個比較嚴重的事件，尤其長時間對電池過充會導致電池性能下降和不可恢復性損壞，甚至導致電池變形、漏液情況發(fā)生。通過對過充這類事件進行危害分解和風險評估，得出其安全等級是ASIL-C或者ASIL-D(在不同使用場景下分解下得出的安全等級可能不相同)，那么系統(tǒng)的安全目標就是bMS應當能及時發(fā)現(xiàn)電池過充情況并作出解決，對應地，要從單點失效和潛在失效等方面考慮設計安全機制，最后用前面提到的度量指標進行安全性評估。
符合功能安全的bMS處理辦法
恩智浦供應完整的電池管理系統(tǒng)處理辦法，包括MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網絡高速和系統(tǒng)基礎芯片SbC等。借助恩智浦的bMS處理辦法，用戶可輕易實現(xiàn)基于CAN網絡或菊花鏈的電池管理系統(tǒng)。恩智浦供應多種符合ISO26262標準的器件，主控單元MpC574xp安全等級達到ASIL-D，模擬前端電池控制器MC33771安全等級達到ASIL-C，SbC(SystembasicChip)系統(tǒng)基礎芯片F(xiàn)S45/65安全等級達到ASIL-D。采用這套辦法可簡化軟，幫助用戶輕松實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級達到ASIL-C/D。此外，恩智浦供應符合功能安全的參考設計，極大加速用戶開發(fā)符合ISO2626標準的bMS產品(見圖3)。
在圖3的辦法中，主控單元采用的MpC574xp是一款基于powerArchitecture、具有延遲鎖步核LockStep核的高性能和高安全性MCU。SbC系統(tǒng)基礎芯片F(xiàn)S45/65不僅供應多種可配置的，而且供應監(jiān)控和眾多安全機制，支持Fail-Safe安全保護模式，MCU搭配SbC系統(tǒng)基礎芯片可實現(xiàn)更高的安全等級。模擬前端MC33771負責電池數(shù)據的采集，一個MC33771最多可以接14節(jié)單體電池，多個MC33771可以級聯(lián)形成菊花鏈式通信。MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層，負責將SpI信號和進行轉換。
恩智浦的bMS處理辦法支持多種，包括聚集式、分布式菊花鏈結構以及聚集式、分布式CAN網絡結構。菊花鏈式網絡可顯著降低boM成本，受制于通信距離限制，在目前的大巴車上，目前緊要是基于CAN總線通信。恩智浦供應的bMS處理辦法具有極大的靈活性，可以滿足不同用戶的需求(見圖4)。
鑒于目前國內市場基于ISO26262的開發(fā)還處于起步階段，部分車廠和供應商的功能安全開發(fā)相關相關經驗不足，導致開發(fā)符合IS026262標準的bMS難度較大，并且要一下子達到系統(tǒng)級ASIL-C/D，挑戰(zhàn)性巨大。針對這種情況，恩智浦供應一種折中的辦法，推薦主控單元采用S32K14x系列MCU，結合外部的系統(tǒng)基礎芯片F(xiàn)S45/65等，可使系統(tǒng)安全等級達到ASIL-b。另外，單個S32K14x達到ASIL-b等級，通過軟硬件也能使系統(tǒng)達到更高的安全等級ASIL-C。
要指出的是，在恩智浦，所有按照ISO26262標準開發(fā)的器件，都被囊括在恩智浦的SafeAssure計劃里。SafeAssure保證開發(fā)的產品符合ISO26262標準，并供應必要的支持，供應功能安全相關的文檔(如SafetyManual和FMEDA等)，SafetyManual具體闡述了芯片所采用安全機制，并指揮用戶要怎么樣使用芯片可以達到比較高的安全性等級。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和診斷分解等，用戶可依據詳盡使用需求對FMEDA進行裁剪。
高性能、高安全性微控制器
恩智浦還供應高性能、高安全性的微控制器。
1.基于powerArchitecture的MpC574xp
MpC574xp是MpC5743L的下一代產品。MpC5643L是第一個拿到第三方認證、符合ISO2626標準的MCU，MpC574xp基本繼承了MpC5643L的所有特性，并在工藝和性能上有一定提升(見圖5)。
MpC574xp具有延遲鎖步核LockStep，可運行在200?MHz，兩個核執(zhí)行同樣的代碼，輸出結果進行比較，倘若發(fā)現(xiàn)不匹配，可以觸發(fā)系統(tǒng)的安全機制，通知用戶有異常發(fā)生，并作出相應解決。MpC574xp具有很多的安全特性，針對電源和時鐘的功能是不是正常，內部有專門的監(jiān)控電路。針對Flash和RAM，有ECC保證讀寫數(shù)據的正確性。針對ADC，有bIST(buildinSelfTest)自檢電路驗證ADC的邏輯。特別要提到的是MpC574xp具有FCCU單元，該單元收集所有其他模塊在運行過程中的異常事件，并提交給MCU內核做解決。
實際上，MpC574xp不僅僅可運用在bMS范疇，任何對安全要求很嚴格的使用都可以采用MpC574xp，如新能源汽車、EpS(電子助力轉向系統(tǒng))、制動、安全氣囊和使用等。
2.基于powerArchitecture的MpC574xR
MpC574xR系列MCU與MpC574xp系列類似，安全等級滿足ISO26262ASIL-D，不同的是除了MpC5743R(內部惟有鎖步核)，MpC5745/6R供應了鎖步核的同時，還供應了另外一個獨立的內核，這個內核可單獨運行其他程序，該系列MCU供應了更高的性能。
3.基于AMRCortexM4的S32K14x
S32K14x系列MCU供應極強的性價比，同時具有較高的安全等級，滿足ISO26262ASIL-b。該系列MCU最大運行頻率112MHz，帶有SFpU，基于修改的Harvard架構，支持緊密耦合的RAM和4KbI/D緩存，支持SHE規(guī)范的硬件安全引擎，內置48MHzRC(IRC)器，支持CANFD，利用FlexIO可仿真通信協(xié)議，如SpI、UART等。
4.模擬前端電池控制器MC33771
MC33771滿足ISO2626ASIL-C，工作電壓范圍9.6?V≤VpWR≤61.6?V，70?V瞬態(tài)電壓，支持7～14節(jié)電池，7個ADC/IO口/輸入，支持14通道300?mA板載被動均衡。
結語
功能安全是將來汽車電子行業(yè)的趨勢，也是恩智浦bMS處理辦法的優(yōu)點，恩智浦能夠供應bMS的全套處理辦法，包括高性能、高安全性的微控制器和模擬器件，如基于powerArchitecture微控制器MpC574xp和基于ARMArchitecture的S32K14x，以及模擬前端電池控制器MC33771。恩智浦供應靈活的辦法，支持聚集式/分布式的CAN/菊花鏈網絡，能滿足不同的使用需求。恩智浦bMS處理辦法可幫助用戶簡化功能安全設計，使系統(tǒng)安全等級符合ISO26262ASIL-C/D。
