大湾区集成电路研究院与意法半导体联合推出汽车级芯片应用解决方案(四)电池管理系统参考设计

作者:GIICS 发布日期:2021-04-09 阅读量:823

电池管理系统 (Battery Management System,BMS)能实时监控动力电池系统状态,通过采集电压、电流、温度及 HVIL、Emergency 等模拟数字信号,实时估算电池当前实际能力及状态,并通过 CAN 报文上报给整车控制器。当电池或整车处于极限或紧急情况时,能及时响应整车控制器指令,控制继电器断开。同时电池作为储能装置,可根据自身能力进行充放电控制,包括交流&直流充电控制。并能合理控制均衡策略,保证电池压差在合理范围,延长电池使用寿命。

意法半导体(以下简称为ST)与大湾区集成电路与系统应用研究院(以下简称为GIICS)在BMS开发和应用领域已服务于多家客户。以分布式架构为例介绍BMS产品级解决方案,BMS由BCU(Battery Control Unit电池主控控单元)和BMU(Battery monitor Unit,电池从控单元)构成。BCU用来监控整包的总压和总电流状态,控制高压继电器的开合,以及采集整车相关信号,完成电池相关数据(SOC,SOP等)的评估。从控BMU用来采集各电芯电压,执行电芯的均衡功能。BCU和BMU之间使用CAN或菊花链方式通信。


系统架构


BCU的系统架构如下图所示:

BCU检测功能包含但不限于:

● 高压采集

● 总电流采集

● 绝缘检测

● 低压供电

● 唤醒

● 高低边驱动开关

● 通信

● 温度检测

● 支持多种信号检测与控制

● 附加服务:可根据客户企标开发


核心IC


单片机MCU SPC58NN:

● 三核@200MHz(两对锁步核)满足ISO26262功能安全系统的需求

● GTM344满足FOC控制需求

● SARDADC支持高精度高速采样,满足电流,电压,温度模拟量采样的需求

● SDADC支持差分采样,满足旋转变压器软件解码功能的需求

● Flash 6MB,满足整车OTA功能需求

● 可配置的功能安全模块(Lockstep, ECC, CMU, FCCU, MEMU, LBIST, MBIST…)节省了开发safety lib的时间和金钱

● 8路 SPI,8个CANFD,1路100MB以太网


SBC L9396:

● 电源管理:1路boost,1路buck,1路LDO 5V,1路LDO可配置5V/3.3V,1路Vcore 供电,2路对板外供电线性稳压器

● 问答式看门狗

● PWM看门狗配合SPC58NN的FCCU out

● Fail Safe Negative 输出功能

● Fault Out 输出功能

● 可配置故障状态下的Reset输出功能

● Fail Safe 驱动

● 故障诊断寄存器

● 支持ASIL D应用


根据与BCU之间的通信方式的不同,BMU系统架构分为CAN通信和菊花链通信两种。CAN通信的系统架构如下:


可裁剪其中的低压接单元,实现菊花链通信的BMU。简化之后的BMU系统架构如下:


BMU关键参数


以ST的AFE前端采集芯片L9963E为核心,搭建BMU解决方案,BMU具备如下特点:

● 单体电压检测:采样精度±2.6mV,每个AFE最大采集串数14S

● 温度检测:NTC温度直接由AFE采集,提升可靠性,16bit的ADC采样分辨率,保证温度采样的精度;每AFE支持7个温度检测点

● 通讯:支持双向回环菊花链通讯,通讯速率最高2.66M,支持CRC校验,保证通信的有效性,提升鲁棒性

● 在线均衡:采用电阻耗能式均衡,最大均衡电流200mA,奇偶通道可同时开启均衡,提升了均衡效率。

● 诊断:支持采样线断线诊/均衡故障诊断/通信诊断等硬件

● 接口安全可靠设计:支持热插拔/浪涌/ESD;接插件防呆设计,通过物理防呆,避免线束接错;接插件阻燃等级为UL94V-0(Male & Female),避免BMU出现火灾。


已经过的测试项,除了精度测试已验证外,从控已完成EMC测试和高低温测试:


热测试截图:


EMC第三方测试报告截图


BMS+PDCU动力域控制器简介


传统的动力域控制器的开发模式为大三电,即VCU,BMS,MCU。但随着整车开发的成本要求越来越严苛,动力域控制器的概念被日益推广。

在产品实际开发过程中,考虑到VCU和BMS之间有较多相似的功能,可将BMS和VCU的低压部分合并,使用一个控制器实现VCU+BMS的功能,框图如下:

框图中将VCU和BMS的低压部分结合,形成新的组合架构,即动力域控制器(PDCU)+高压采集板(HCU)+电芯采集板(CMU),PDCU集成了VCU的全部功能(整车管理)和BMS的核心功能(状态管理+Sox的计算),HCU专注于高压单元的采集,高压继电器的控制及电芯数据的转发。CMU专注于电芯数据的采集。相比于传统的大三电架构,域控制器的架构优势在于:

● 成本优势:包括物料成本和人力成本。预控架构简化了设计,物料成本得到大幅降低,同时由于功能合并,软件开发和维护的工作也得到优化;

● 效率提升:使用高性能的单片机进行逻辑和数据处理,软件执行效率提升,动力域的可靠和稳定性得到提升;


基于上述对BMS及动力域控制器的介绍,GIICS可根据合作模式为客户提供如下交付物:


系统软硬件设计

● 系统架构

● 需求分析

● 硬件原理图

● PCB, BOM

● Autosar底层软件

● Autosar复杂驱动

● MCAL等


除此之外,ST与GIICS还可为客户提供灵活的可定制化的BMS等控制器,请联系ST NEV应用第三方合作伙伴GIICS技术经理:

卢经理:lumiao@giics.com.cn

(内容来源:意法半导体)


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