如何重新定義電動汽車電池管理系統(tǒng)

　　無論是簡單的充電控制器還是復(fù)雜的控制單元，對于電池管理系統(tǒng) （BMS） 的需求都在迅速增長，尤其是電動汽車領(lǐng)域。除了傳統(tǒng)的充電狀態(tài)監(jiān)控外，BMS 系統(tǒng)還必須遵守日益嚴(yán)格的安全法規(guī)，注重控制和待機功能、熱管理和用于保護 OEM 車廠電池的加密算法。未來，甚至車輛控制單元 （VCU） 的部件和功能也會與 BMS 相關(guān)聯(lián)。

　　
圖1 配備所有相關(guān)部件的電動汽車電池管理系統(tǒng) （BMS）

　　未來，BMS 將在電動汽車領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而 BMS 的各個子功能往往由 OEM車廠 定制，會因系統(tǒng)配置不同而存在很大差異。因此，不可能制定出適用于每一個電動汽車制造商的完整的 BMS 要求列表。然而，電池管理系統(tǒng)處理的任務(wù)范圍不斷擴大，這一事實毋庸置疑。BMS 最常見的要求包括安全要求、控制和監(jiān)控功能、待機功能、熱管理、加密算法和預(yù)留可擴展接口增加新功能。

　　安全要求

　　在 ISO 26262 安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如 BMS 等特定的電氣和電子系統(tǒng)將被歸類為從 ASIL C 至 ASIL D 的高安全類別。與之對應(yīng)的故障檢測率至少為 97% 至 99%。電池系統(tǒng)中最危險的故障來源有：因電纜磨損或事故而導(dǎo)致車輛底盤出現(xiàn)高電壓漏電而未被發(fā)現(xiàn)；各種引起高電壓電池起火或爆炸的原因：例如對電池過度充電（例如在公用電網(wǎng)上或因停電恢復(fù)引起）、電池過早老化（例如爆炸性氣體泄漏）、液體進入和短路（例如因雨水引起）、濫用（例如維修不當(dāng)）和熱管理錯誤（例如冷卻失效）等。

　　在安全方面，主開關(guān)（主繼電器）在避免與高電壓相關(guān)的事故中起到了重要的作用，它可確保 BMS 電子系統(tǒng)能夠作出充分的故障反應(yīng)。發(fā)生故障時，BMS 模塊會在適當(dāng)?shù)墓收戏磻?yīng)時間內(nèi)斷開開關(guān)（例如 10ms 以內(nèi)）。非關(guān)鍵故障安全條件的特征通常是：如果 BMS 微控制器 （MCU） 失效，甚至在控制器邏輯完全失效的情況下，獨立的外部安全元件（例如窗口看門狗）仍可確保主開關(guān)繼電器可靠地打開逆變器（正/負）的兩個高電壓觸點。BMS 系統(tǒng)中還集成了其他安全功能，包括漏電電流監(jiān)控和主開關(guān)繼電器監(jiān)控。

　　控制和監(jiān)控功能：

　　其他 BMS 功能包括對電動汽車中昂貴的高電壓電池的監(jiān)控、保養(yǎng)和維護。BMS 控制和監(jiān)控功能來源于安裝于電池包中的電子平衡單元。管理各個電池組內(nèi)（battery slave pack）的平衡，同時精確地感測各個單電池的電壓。平衡芯片通?？晒芾矶噙_ 12 個單電池組成的群組。相關(guān)數(shù)量的電池群組串聯(lián)后可產(chǎn)生高達數(shù)百伏的高中間電路電壓以供逆變器控制之用，這是電動汽車的逆變器電驅(qū)動所必需的。

　　位于主開關(guān)對所有高電壓電池的總電流的測量，以及從芯片對各個單電池電壓的單電池精確同步監(jiān)控，BMS 可使用特定算法（例如，基于電池化學(xué) Matlab Simulink 模型）評估充電狀態(tài)及健康狀態(tài)等電池參數(shù)。BMS 通常不會安裝在非常靠近高電壓電池的位置，但是通常會通過冗余的流電去耦總線系統(tǒng)（比如 CAN 或其他適合的差分總線）與電子平衡從動元件相連接。它由汽車電壓（12 伏電池）供電，因此可通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與現(xiàn)有的控制單元群組結(jié)合使用，無需進一步的流電去耦措施。最后，它還改善了安全性，因為它讓 BMS 能夠在高電壓電池發(fā)生機構(gòu)或化學(xué)缺陷時確保功能正常并且安全地斷開主開關(guān)。

　　隨著電池專用的化學(xué)/電氣算法日益復(fù)雜，預(yù)計 BMS 將需要使用擁有 2.5MB 至 4MB 閃存和強大的多核處理器架構(gòu)的 AURIX 等微控制器 （MCU）。這種組合可以保證有足夠的內(nèi)存用于全面校準(zhǔn)參數(shù)并提供足夠的計算能力（圖 2）。

　　
圖2 帶 2.45MB 至 4MB 閃存 TriCore 多核架構(gòu) AURIX 微控制器框圖

　　待機功能：

　　電動汽車制造商傾向于定期監(jiān)視電池組和各個單電池的充電狀態(tài)。因此，BMS 必須提供專門的低功耗待機功能，該功能僅需要 μA 級極小的 MCU 功耗且能夠借助定時器快速喚醒系統(tǒng)，例如，在 BMS 激活模式下通過平衡芯片記錄特定的單電池數(shù)據(jù)。為借助喚醒定時器實現(xiàn) BMS 的循環(huán)喚醒，AURIX 微控制器有多個型號均在獨立的低功耗域內(nèi)（在同一芯片上）集成了一個 8 位單片待機 MCU。

　　熱管理：

　　出于設(shè)計原因，高電壓電池模塊通常包含主動熱管理，比如用于冬季的加熱器和用于夏季的冷卻系統(tǒng)。這些可通過風(fēng)冷或水冷實現(xiàn)。在這兩種情況下，BMS 均用于感測電池的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)和主動執(zhí)行及控制散熱器（例如，風(fēng)扇電機或水泵）。AURIX 微控制器具有內(nèi)置的ADC采樣器和多種定時器功能，可勝任此任務(wù)。

　　加密算法：

　　應(yīng)避免電動汽車的原裝 OEM 電池受未經(jīng)授權(quán)的第三方維修。更換電池群組中的單電池或組裝從廢舊電池上拆卸的個別零部件，會掩蓋與安全相關(guān)的故障甚至是爆炸或火災(zāi)危險跡象。為保證車廠確認電池保修的正常性 ，英飛凌的 Origa 芯片等適當(dāng)?shù)谋Ｗo模塊應(yīng)直接安裝于各個單電池群組。同時，在 MCU 中集成硬件安全模塊 （HSM） 構(gòu)成的電池個體數(shù)據(jù)邏輯保護可作為一種低成本的備選方案。

　　在這種情況下，由于電池可控制這些參數(shù)并將它們存儲于受 HSM 保護的安全數(shù)據(jù)存儲器，AURIX 中的 HSM 可有效檢測上述電池的各個參數(shù)。例如，在使用壽命方面，通過這種方式將各個單電池狀態(tài)存儲為 AES 加密檔案，如此可基于此數(shù)據(jù)檢測未經(jīng)授權(quán)的各個單電池更換。我們可以將典型的電池群組檔案比作一個指紋，其唯一性將有利于檢測存在更換的群組。加密算法的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是負責(zé)監(jiān)控和對比由外部供應(yīng)商計算的充電量與由 BMS 實際測量所得的充電量。

　　未來的任務(wù)：

　　根據(jù)制造商選擇的電動汽車特定電子拓撲結(jié)構(gòu)，目前已有高階驅(qū)動策略的逆變器控制單元和獨立的整車控制單元，即 VCU。同時還有整個轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)還具有其它高級功能，如智能電源管理器等。電源處理器（通過集成的導(dǎo)航單元）將駕車路線規(guī)劃涵蓋在內(nèi)，可根據(jù)具體路線優(yōu)化整個電源系統(tǒng)，因此有助于增加電池的行駛距離范圍。

　　獨立的 OEM 廠商現(xiàn)在正在考慮將以前的 VCU 的所有部件改設(shè)至 BMS 和逆變器控制單元中，從而減少電動汽車的總電子元件成本。去除 VCU 的先決條件歸根結(jié)底是由 BMS 可處理的微控制器特定參數(shù)所決定，比如閃存和 SRAM 的數(shù)量和性能、各個控制單元功能在實時能力方面的獨立性和在共享的可擴展的微控制器架構(gòu)上無縫集成安全相關(guān)軟件功能（從 QM 至 ASIL D）等。針對這一特定情況，英飛凌推出了基于三核處理器的 AURIX 多核架構(gòu)的控制器硬件，可在未來的 BMS 客戶應(yīng)用中集成所有上述要求功能。