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动力锂离子电池BMS处理办法——SO26262

九游会俱乐部LARGE  |  点击量:28次  |  2021年08月08日  

摘要
作为新能源三电核心技术之一,BMS在HEV/EV中发挥着紧要用途。广义上,BMS蕴含传统的12/24?V铅酸蓄电池管理,但这里讨论的BMS紧要是针对HEV/EV的管理,从48?V的弱混动到500?V以上的纯电动,

作为新能源三电核心技术之一,bMS在HEV/EV中发挥着紧要用途。广义上,bMS蕴含传统的12/24?V铅酸蓄电池管理,但这里讨论的bMS紧要是针对HEV/EV的管理,从48?V的弱混动到500?V以上的纯电动,的bMS处理办法都可以倾覆。一般来说,bMS由一个主控单元和多个从控单元组成,从控单元笔直连接电池组(batterypack),采集电池的电压、和温度等,主控通过CAN或DaisyChain(菊花链)通信等方式管理多个从控单元。


按照新能源汽车对电池管理系统的需求,bMS具备的功能包括SoC/SoH、故障诊断、均衡控制、热管理和管理等(见图1)。SoC即电池状态,用于掂量电池剩余电量,有关判断汽车可行驶里程十分紧要。故障诊断用于判断电池的当前状态,及时正确识别电池的过压、欠压或过温等异常情况有助于戒备事故发生。均衡控制紧要是消除单体电池之间的容量差异,达到一致性,延长电池使用寿命。


随着软硬件复杂性提高,来自系统失效和随机硬件失效的风险日益新增,随着汽车行业标准的公布,使得人们对功能安全有了深入的理解,对评估、戒备这些风险供应了可靠的流程保证。电池管理bMS引入ISO26262标准,不仅是顺应技术趋势的发展需求,而且实在能为bMS带来质的变化,从长远来看,有利于行业健康发展。


bMS功能安全开发流程


ISO26262含义的功能安全标准涵盖了产品的管理、开发、加工、经营、服务和报废等阶段,倾覆了产品的整个生命周期,产品开发时紧要关注的阶段有概念、系统级开发、硬件开发和软件开发等阶段。


在功能安全概念阶段要做系统危害分解(HazardAnalysis)和风险评估(RiskAssessment),得出完整性等级ASIL(AutoiveSafetyIntegrityLevel)。ISO26262标准规定了A到D四个安全等级,其中D级为最高等级,相应的需求最为苛刻。一般而言,主流车厂认为bMS要达到的安全等级至少是ASIL-C。在得出安全等级ASIL后,要设立安全目标(SafetyGoal),并提出相应的安全需求(SafetyRirement)和(SafetyMechanism),并在必要的时候做功能安全等级分析(见图2)。


ISO26262给出了三个指标:单点故障指标SpFM、潜在故障指标LFM和随机硬件失效指标pMHF,用于评估等级。


例如:在bMS开发过程中,对bMS的危害分解有过压(过充)、欠压、过温柔过流等危害事件进行监测。如过压,可能是一个比较严重的事件,尤其长时间对电池过充会导致电池性能下降和不可恢复性损坏,甚至导致电池变形、漏液情况发生。通过对过充这类事件进行危害分解和风险评估,得出其安全等级是ASIL-C或者ASIL-D(在不同使用场景下分解下得出的安全等级可能不相同),那么系统的安全目标就是bMS应当能及时发现电池过充情况并作出解决,对应地,要从单点失效和潜在失效等方面考虑设计安全机制,最后用前面提到的度量指标进行安全性评估。


符合功能安全的bMS处理办法


恩智浦供应完整的电池管理系统处理办法,包括MCU、模拟前端电池控制器IC、隔离网络高速和系统基础芯片SbC等。借助恩智浦的bMS处理办法,用户可轻易实现基于CAN网络或菊花链的电池管理系统。恩智浦供应多种符合ISO26262标准的器件,主控单元MpC574xp安全等级达到ASIL-D,模拟前端电池控制器MC33771安全等级达到ASIL-C,SbC(SystembasicChip)系统基础芯片FS45/65安全等级达到ASIL-D。采用这套办法可简化软,帮助用户轻松实现系统安全等级达到ASIL-C/D。此外,恩智浦供应符合功能安全的参考设计,极大加速用户开发符合ISO2626标准的bMS产品(见图3)。


在图3的办法中,主控单元采用的MpC574xp是一款基于powerArchitecture、具有延迟锁步核LockStep核的高性能和高安全性MCU。SbC系统基础芯片FS45/65不仅供应多种可配置的,而且供应监控和众多安全机制,支持Fail-Safe安全保护模式,MCU搭配SbC系统基础芯片可实现更高的安全等级。模拟前端MC33771负责电池数据的采集,一个MC33771最多可以接14节单体电池,多个MC33771可以级联形成菊花链式通信。MC33664作为MCU和MC33771的传输物理层,负责将SpI信号和进行转换。


恩智浦的bMS处理办法支持多种,包括聚集式、分布式菊花链结构以及聚集式、分布式CAN网络结构。菊花链式网络可显著降低boM成本,受制于通信距离限制,在目前的大巴车上,目前紧要是基于CAN总线通信。恩智浦供应的bMS处理办法具有极大的灵活性,可以满足不同用户的需求(见图4)。


鉴于目前国内市场基于ISO26262的开发还处于起步阶段,部分车厂和供应商的功能安全开发相关相关经验不足,导致开发符合IS026262标准的bMS难度较大,并且要一下子达到系统级ASIL-C/D,挑战性巨大。针对这种情况,恩智浦供应一种折中的办法,推荐主控单元采用S32K14x系列MCU,结合外部的系统基础芯片FS45/65等,可使系统安全等级达到ASIL-b。另外,单个S32K14x达到ASIL-b等级,通过软硬件也能使系统达到更高的安全等级ASIL-C。


要指出的是,在恩智浦,所有按照ISO26262标准开发的器件,都被囊括在恩智浦的SafeAssure计划里。SafeAssure保证开发的产品符合ISO26262标准,并供应必要的支持,供应功能安全相关的文档(如SafetyManual和FMEDA等),SafetyManual具体阐述了芯片所采用安全机制,并指挥用户要怎么样使用芯片可以达到比较高的安全性等级。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和诊断分解等,用户可依据详尽使用需求对FMEDA进行裁剪。


高性能、高安全性微控制器


恩智浦还供应高性能、高安全性的微控制器。


1.基于powerArchitecture的MpC574xp


MpC574xp是MpC5743L的下一代产品。MpC5643L是第一个拿到第三方认证、符合ISO2626标准的MCU,MpC574xp基本继承了MpC5643L的所有特性,并在工艺和性能上有一定提升(见图5)。


MpC574xp具有延迟锁步核LockStep,可运行在200?MHz,两个核执行同样的代码,输出结果进行比较,倘若发现不匹配,可以触发系统的安全机制,通知用户有异常发生,并作出相应解决。MpC574xp具有很多的安全特性,针对电源和时钟的功能是不是正常,内部有专门的监控电路。针对Flash和RAM,有ECC保证读写数据的正确性。针对ADC,有bIST(buildinSelfTest)自检电路验证ADC的逻辑。特别要提到的是MpC574xp具有FCCU单元,该单元收集所有其他模块在运行过程中的异常事件,并提交给MCU内核做解决。


实际上,MpC574xp不仅仅可运用在bMS范畴,任何对安全要求很严格的使用都可以采用MpC574xp,如新能源汽车、EpS(电子助力转向系统)、制动、安全气囊和使用等。


2.基于powerArchitecture的MpC574xR


MpC574xR系列MCU与MpC574xp系列类似,安全等级满足ISO26262ASIL-D,不同的是除了MpC5743R(内部惟有锁步核),MpC5745/6R供应了锁步核的同时,还供应了另外一个独立的内核,这个内核可单独运行其他程序,该系列MCU供应了更高的性能。


3.基于AMRCortexM4的S32K14x


S32K14x系列MCU供应极强的性价比,同时具有较高的安全等级,满足ISO26262ASIL-b。该系列MCU最大运行频率112MHz,带有SFpU,基于修改的Harvard架构,支持紧密耦合的RAM和4KbI/D缓存,支持SHE规范的硬件安全引擎,内置48MHzRC(IRC)器,支持CANFD,利用FlexIO可仿真通信协议,如SpI、UART等。


4.模拟前端电池控制器MC33771


MC33771满足ISO2626ASIL-C,工作电压范围9.6?V≤VpWR≤61.6?V,70?V瞬态电压,支持7~14节电池,7个ADC/IO口/输入,支持14通道300?mA板载被动均衡。


结语


功能安全是将来汽车电子行业的趋势,也是恩智浦bMS处理办法的优点,恩智浦能够供应bMS的全套处理办法,包括高性能、高安全性的微控制器和模拟器件,如基于powerArchitecture微控制器MpC574xp和基于ARMArchitecture的S32K14x,以及模拟前端电池控制器MC33771。恩智浦供应灵活的办法,支持聚集式/分布式的CAN/菊花链网络,能满足不同的使用需求。恩智浦bMS处理办法可帮助用户简化功能安全设计,使系统安全等级符合ISO26262ASIL-C/D。


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