如何設(shè)計安全智能的電池管理系統(tǒng)

在消費者對安全性、便利性和個性化體驗的期望不斷提高的推動下，現(xiàn)代汽車正在經(jīng)歷以軟件為中心的轉(zhuǎn)型。就像智能手機重新定義了移動電話的角色和意義一樣，軟件定義車輛正在重新定義汽車的硬件架構(gòu)，使駕駛員能夠靈活選擇他們想要的車輛功能。

隨著車輛架構(gòu)趨向于更集中化的處理和更智能化的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中的半導(dǎo)體技術(shù)也需要不斷演進。您可以看到軟件定義車輛對汽車內(nèi)各種子系統(tǒng)的影響，包括向動力總成域控制架構(gòu)和區(qū)域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)變、設(shè)計更智能的系統(tǒng)以及減少 MCU 數(shù)量，所有這些都基于更智能的半導(dǎo)體技術(shù)。

本次為大家介紹的是《設(shè)計更安全、更智能、互聯(lián)程度更高的電池管理系統(tǒng)》白皮書。本文將探討哪些趨勢正在改變混合動力電動汽車 (HEV)和電動汽車動力總成的結(jié)構(gòu)，以及電池管理系統(tǒng) (BMS) 中的技術(shù)正在如何轉(zhuǎn)變以滿足車輛更安全、更智能的需求。

內(nèi)容概覽

動力總成發(fā)展為域控制和區(qū)域控制

了解向域架構(gòu)和區(qū)域架構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢，以及這種轉(zhuǎn)變?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)設(shè)計和半導(dǎo)體技術(shù)。

過去，當(dāng)車輛設(shè)計中的傳感器或執(zhí)行器需要更高的智能化水平，進而需要更復(fù)雜的控制或通信時，設(shè)計人員會在設(shè)計中添加 MCU。但是，將不同車輛平臺中各種選件的額外復(fù)雜性綜合起來，會導(dǎo)致車輛系統(tǒng)描述很復(fù)雜，開發(fā)工作量增大，維護難度也更大。

為了幫助克服復(fù)雜性、重量和成本方面的挑戰(zhàn)，人們提出了域控制架構(gòu)和區(qū)域控制架構(gòu)的概念。在域架構(gòu)中，每個域?qū)⒏鶕?jù)相關(guān)功能來集成某些電子控制單元 (ECU)。區(qū)域架構(gòu)進一步發(fā)展了域控制的概念，根據(jù)車輛中的功能位置將功能分組為不同區(qū)域并由 MCU 進行控制。區(qū)域架構(gòu)在減少 MCU 數(shù)量需求的同時，還能降低線束的復(fù)雜性和重量，從而進一步節(jié)省成本并延長行駛里程。

但是，一項技術(shù)挑戰(zhàn)隨之而來：電芯或電池包的高壓芯片組數(shù)據(jù)（電壓、電流和溫度讀數(shù)以及相關(guān)的安全措施信息）將作為原始數(shù)據(jù)傳輸。由于故障檢測時間間隔、故障反應(yīng)時間間隔和安全狀態(tài)具有嚴(yán)格的定義，因此需要密切觀察和優(yōu)化接口的可用帶寬，并且區(qū)域控制或域控制 MCU 需要嚴(yán)格的時隙，以便在給定的時間間隔內(nèi)進行處理。

提高高壓芯片組的智能水平或在BMS 邊緣（例如在智能電池接線盒中）添加更小的安全 MCU，都可以簡化這一挑戰(zhàn)。通過在本地處理功能安全措施，不再需要在 BMS 內(nèi)發(fā)送除任務(wù)之外的任何數(shù)據(jù)：邊緣的本地安全 MCU 會向集中式 MCU 發(fā)送在本地獲取的 OK/NOK 數(shù)據(jù)，而非底層的原始數(shù)據(jù)，從而顯著減少時間并簡化帶寬挑戰(zhàn)。

在 BMS 內(nèi)實現(xiàn)智能的技術(shù)：MCU

了解向更安全、更智能的 BMS 進行過渡如何促進 MCU 技術(shù)、通信接口和電池接線盒設(shè)計的發(fā)展。

從最基礎(chǔ)的層面來說，MCU 在 BMS 中有兩個主要作用：連接到傳感器以接收數(shù)據(jù)，以及將該信息傳回車輛網(wǎng)絡(luò)。先進的 MCU 有助于從電池向車輛的其余部分發(fā)送更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，從而幫助更準(zhǔn)確地了解車內(nèi)發(fā)生的情況。對于 MCU 來說，由于需要復(fù)雜的算法來提供智能以更大程度提高電池利用率，因此算力不斷提高。同時，隨著電池尺寸的增加，需要測量的單個電芯的數(shù)量也將增加。

為了滿足這些高級算法的要求以及傳感需求，一種方法是提高核心計算性能。現(xiàn)在，有一些運行頻率高達 1GHz 的多核器件能夠在系統(tǒng)內(nèi)進行計算和操作。德州儀器推出了基于 ArmCortex的 32 位 MCU 產(chǎn)品系列，其中包含高性能和高能效的器件，可幫助滿足系統(tǒng)需求。

此外，在 BMS 中，功能安全能力也是 MCU 的一項重要標(biāo)準(zhǔn)。MCU 需要支持汽車安全完整性等級 (ASIL) D，并具有內(nèi)置的硬件安全模塊，旨在幫助滿足系統(tǒng)的安全要求。德州儀器 AM263P4-Q1 MCU 等器件作為多核器件，具有更高的計算工作頻率，并提供了高級外設(shè)來支持聯(lián)網(wǎng)和提升傳感和驅(qū)動 IP 的質(zhì)量。

數(shù)字孿生、機器學(xué)習(xí)和車隊管理

了解如何運用機器學(xué)習(xí)算法來推動智能電池數(shù)字孿生等趨勢。

BMS 中的軟件實施在不斷創(chuàng)新。獲得精確的電池包和電芯測量是實現(xiàn)比卡爾曼濾波器或庫侖計數(shù)更先進的 X 狀態(tài)算法的基礎(chǔ)。借助于針對個人駕駛行為、交通狀況以及地理和道路條件的監(jiān)控功能，可以實現(xiàn)更精確的車輛續(xù)航里程預(yù)測以及電池健康狀態(tài)數(shù)據(jù)和荷電狀態(tài)估算。此功能稱為創(chuàng)建數(shù)字孿生，可實現(xiàn)進一步的商業(yè)模型，如軟件定義車輛中的車輛續(xù)航里程臨時升級。

德州儀器推出了基于 Arm且支持 AutoSAR 的 AM263P4-Q1 MCU 器件。這款器件包含一個使用自適應(yīng)電芯建模系統(tǒng)的庫，并支持機器學(xué)習(xí)服務(wù)以改進車隊和車輛 X 狀態(tài)測量，有助于實現(xiàn)更智能的充電并優(yōu)化電池健康狀態(tài)和續(xù)航里程。

BMS 是許多顛覆性和創(chuàng)新性概念的核心。德州儀器提供的器件解決方案涵蓋了完整的 BMS產(chǎn)品系列，旨在展示系統(tǒng)級優(yōu)勢并使車輛更智能、更安全、互聯(lián)程度更高。