鉅大LARGE | 點擊量:1544次 | 2020年07月09日
基于ISO26262的動力鋰電池BMS解決方法詳細介紹
BMS(BatteryManagementSystem)即電池管理系統。作為新能源汽車三電核心技術之一,BMS在HEV/EV中發揮著重要用途。廣義上,BMS包含傳統的12/24 V鉛酸電池管理,但這里討論的BMS重要是針對HEV/EV的動力鋰電池管理,從48 V的弱混動到500 V以上的純電動,恩智浦的BMS解決方法都可以覆蓋。一般來說,BMS由一個主控單元和多個從控單元組成,從控單元直接連接電池包(Batterypack),采集電池的電壓、電流和溫度等,主控通過CAN總線或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的需求,BMS具備的功能包括SoC/SoH估算、故障診斷、均衡控制、熱管理和充電管理等(見圖1)。SoC即電池荷電狀態,用于衡量電池剩余電量,關于判斷汽車可行駛里程十分重要。故障診斷用于判斷電池的當前狀態,及時正確識別電池的過壓、欠壓或過溫等異常情況有助于防止事故發生。均衡控制重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。
隨著汽車電子軟硬件復雜性提高,來自系統失效和隨機硬件失效的風險日益新增,隨著汽車電子行業標準ISO26262的公布,使得人們對功能安全有了深入的理解,對評估、防止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展需求,而且確實能為BMS帶來質的變化,從長遠來看,有利于行業健康發展。
BMS功能安全開發流程
ISO26262含義的功能安全標準涵蓋了產品的管理、開發、生產、經營、服務和報廢等階段,覆蓋了產品的整個生命周期,產品開發時重要關注的階段有概念、系統級開發、硬件開發和軟件開發等階段。
在功能安全概念階段要做系統危害分析(HazardAnalysis)和風險評估(RiskAssessment),得出汽車安全完整性等級ASIL(AutomotiveSafetyIntegrityLevel)。ISO26262標準規定了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(SafetyRequirement)和安全機制(SafetyMechanism),并在必要的時候做功能安全等級分解(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,用于評估系統的安全性等級。
例如:在BMS開發過程中,對BMS的危害分析有過壓(過充)、欠壓、過溫和過流等危害事件進行監測。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、漏液情況發生。通過對過充這類事件進行危害分析和風險評估,得出其安全等級是ASIL-C或者ASIL-D(在不同應用場景下分析下得出的安全等級可能不相同),那么系統的安全目標就是BMS應該能及時發現電池過充情況并作出處理,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解決方法
恩智浦供應完整的電池管理系統解決方法,包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網絡高速收發器和系統基礎芯片SBC等。借助恩智浦的BMS解決方法,用戶可輕易實現基于CAN網絡或菊花鏈的電池管理系統。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)系統基礎芯片FS45/65安全等級達到ASIL-D。采用這套方法可簡化軟硬件設計,幫助用戶輕松實現系統安全等級達到ASIL-C/D。此外,恩智浦供應符合功能安全的參考設計,極大加速用戶開發符合ISO2626標準的BMS產品(見圖3)。
在圖3的方法中,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系統基礎芯片FS45/65不僅供應多種可配置的電源選擇,而且供應電源監控和眾多安全機制,支持Fail-Safe安全保護模式,MCU搭配SBC系統基礎芯片可實現更高的安全等級。模擬前端MC33771負責電池數據的采集,一個MC33771最多可以接14節單體電池,多個MC33771可以級聯形成菊花鏈式通信。MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層,負責將SpI信號和差分信號進行轉換。
恩智浦的BMS解決方法支持多種網絡拓撲結構,包括集中式、分布式菊花鏈結構以及集中式、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,目前重要是基于CAN總線通信。恩智浦供應的BMS解決方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的開發還處于起步階段,部分車廠和供應商的功能安全開發相關經驗不足,導致開發符合IS026262標準的BMS難度較大,并且要一下子達到系統級ASIL-C/D,挑戰性巨大。針對這種情況,恩智浦供應一種折中的方法,推薦主控單元采用S32K14x系列MCU,結合外部的系統基礎芯片FS45/65等,可使系統安全等級達到ASIL-B。另外,單個S32K14x達到ASIL-B等級,通過軟硬件冗余設計也能使系統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標準開發的器件,都被囊括在恩智浦的SafeAssure計劃里。SafeAssure保證開發的產品符合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詳細闡述了芯片所采用安全機制,并指導用戶如何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、失效概率和診斷分析等,用戶可根據具體應用需求對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,兩個核執行同樣的代碼,輸出結果進行比較,假如發現不匹配,可以觸發系統的安全機制,通知用戶有異常發生,并作出相應處理。MpC574xp具有很多的安全特性,針對電源和時鐘的功能是否正常,內部有專門的監控電路。針對Flash和RAM,有ECC保證讀寫數據的正確性。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出現的異常事件,并提交給MCU內核做處理。
實際上,MpC574xp不僅僅可運用在BMS領域,任何對安全要求很嚴格的應用都可以采用MpC574xp,如新能源汽車電動機控制、EpS(電子助力轉向系統)、制動、安全氣囊和底盤應用等。
2.基于powerArchitecture的MpC574xR
MpC574xR系列MCU特點與MpC574xp系列類似,安全等級滿足ISO26262ASIL-D,不同的是除了MpC5743R(內部只有鎖步核),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規范的硬件安全引擎,內置48MHzRC(IRC)振蕩器,支持CANFD,利用FlexIO可仿真通信協議,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瞬態電壓,支持7~14節電池,7個ADC/IO口/溫度傳感器輸入,支持14通道300 mA板載被動均衡。
結語
功能安全是未來汽車電子行業的趨勢,也是恩智浦BMS解決方法的優勢,恩智浦能夠供應BMS的全套解決方法,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。恩智浦供應靈活的方法,支持集中式/分布式的CAN/菊花鏈網絡拓撲結構,能滿足不同的應用需求。恩智浦BMS解決方法可幫助用戶簡化功能安全設計,使系統安全等級符合ISO26262ASIL-C/D。
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