設(shè)計(jì)更安全、更智能、互聯(lián)程度更高的電池管理系統(tǒng)

汽車行業(yè)經(jīng)歷電氣化轉(zhuǎn)型，正在迅速發(fā)展

內(nèi)容概覽

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(jìn)。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。

1 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(jì)和半導(dǎo)體技術(shù)。

2 在 BMS 內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能的技術(shù)：MCU

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

3 數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)和車隊(duì)管理

了解如何運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來推動智能電池?cái)?shù)字孿生等趨勢。

在消費(fèi)者對安全性、便利性和個性化體驗(yàn)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(jī)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)，讓駕駛員能夠靈活選擇他們想要的車輛功能。

汽車制造商現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)自己有機(jī)會重新設(shè)計(jì)車輛的硬件和軟件架構(gòu)。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(jì)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)。

電池管理系統(tǒng)創(chuàng)新如何提高電動汽車采用率 探討了電池管理系統(tǒng) (BMS) 的架構(gòu)和重要子系統(tǒng)。此外，還詳細(xì)討論了軟件定義車輛的發(fā)展趨勢如何影響 HEV 和 EV 中的 BMS。

動力總成發(fā)展為域控制和區(qū)域控制

過去，當(dāng)車輛設(shè)計(jì)中的傳感器或執(zhí)行器需要更高的智能化水平，進(jìn)而需要更復(fù)雜的控制或通信時，設(shè)計(jì)人員會在設(shè)計(jì)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(hù)難度也更大。例如，進(jìn)行無線更新時需要對所有配置進(jìn)行測試，這會顯著增加該過程的時間和復(fù)雜性。

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。讓我們看看這些不同架構(gòu)對車輛內(nèi)的子系統(tǒng)有哪些要求。

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)。例如，車載充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和 BMS 將包含 HEV/EV 控制域，并共享同一個集中式 MCU，如圖 1 所示。這種架構(gòu)可以減少分布式 MCU 的數(shù)量，將功能放在鄰近位置以簡化連接，并將相同的功能集中到單個 MCU 中來實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的共享。例如，OBC 和逆變器不會同時運(yùn)行，但會共享算力。

圖 1. 域控制架構(gòu)。

區(qū)域架構(gòu)進(jìn)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(jìn)行控制，如圖 1 所示。由于區(qū)域之間的分布式傳感器和執(zhí)行器需要及時通信，因此這些區(qū)域通過高帶寬通信骨干網(wǎng)進(jìn)行連接。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(jìn)一步節(jié)省成本并延長行駛里程。硬件和軟件更新周期分離，因此汽車制造商可以采用基于服務(wù)的軟件結(jié)構(gòu)。

圖 2. 區(qū)域控制架構(gòu)。

雖然域架構(gòu)和區(qū)域架構(gòu)具有不同的優(yōu)勢，并面臨不同的挑戰(zhàn)，但兩者也可以在交叉架構(gòu)內(nèi)共存于同一車輛中。例如，BMS 可以使用域控制方法，而自動駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 可以使用區(qū)域控制方法。在攻克特定于應(yīng)用的功能安全和系統(tǒng)敏捷性挑戰(zhàn)后，通常，動力總成后續(xù)會向域控制架構(gòu)或區(qū)域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)變。按照最初的理念，需要盡可能集中 MCU 功能，這意味著 BMS 必須通過復(fù)雜或標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)行通信，在邊緣沒有 MCU 智能。這種類型的實(shí)施方式可以滿足減少 MCU 數(shù)量的目標(biāo)。

但是，一項(xiàng)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(jìn)行處理。圖 3 比較了 BMS 中的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 3. BMS 中的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的比較。

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)。

雖然這種方法與減少 MCU 數(shù)量的初衷相矛盾，但會帶來進(jìn)一步的好處。本地 MCU 可以啟用控制器局域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN-FD) 或以太網(wǎng) 10BASE-T1 等標(biāo)準(zhǔn)化接口，并進(jìn)一步引入統(tǒng)一的抽象層，從而幫助實(shí)現(xiàn)電池包多源策略以及跨車輛、跨平臺和跨代的兼容性。
讓我們來討論一下 BMS 中可以支持這些架構(gòu)并提高系統(tǒng)智能水平的一些技術(shù)。

在 BMS 內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能的技術(shù)：MCU

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)。這兩個功能有助于為 BMS 提供功能安全和重要的診斷信息（如荷電狀態(tài)）。由于需要更先進(jìn)的傳感和計(jì)算以及更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)，按照 MCU 現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，這兩個主要功能都在不斷提升。先進(jìn)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。

看看 BMS 內(nèi) MCU 運(yùn)行的高級場景。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。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。電池內(nèi)儲存的電壓電平和總功率也會更高。所有這一切都意味著傳入信號比以往任何時候都更多，因此隨著車輛架構(gòu)從域控制向區(qū)域控制過渡，MCU 封裝尺寸和輸入/輸出數(shù)量都需要增加。

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(jì)算性能。傳統(tǒng) MCU 可能能夠在 BMS 中運(yùn)行，在單核上以 100MHz 運(yùn)行速率進(jìn)行簡單的電流和電壓測量以及溫度測量?，F(xiàn)在，有一些運(yùn)行頻率高達(dá) 1GHz 的多核器件能夠在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和操作。設(shè)計(jì)人員可以利用數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列來構(gòu)建能夠以更高速度運(yùn)行的計(jì)算引擎。TI 推出了基于 Arm? Cortex? 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。

從電池 ECU 到汽車其余部分的通信也變得更加復(fù)雜。系統(tǒng)可能需要執(zhí)行診斷或?qū)嵤﹦討B(tài)更改，例如預(yù)測功能，或根據(jù)電池負(fù)載在任務(wù)類型之間進(jìn)行切換。舉例來說，如果汽車正在高速行駛，則電池會滿載，因此執(zhí)行診斷或更新電芯等任務(wù)的效率將很低。但是，在汽車充電時，則有更多時間和系統(tǒng)帶寬來執(zhí)行這些任務(wù)，并能夠通過以太網(wǎng)等協(xié)議以無線或有線方式與車輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，這種通信方式提供比以往 CAN 或 CAN-FD 總線高得多的數(shù)據(jù)速率。根據(jù)電池內(nèi)的模塊化水平，BMS 自身內(nèi)部也可能需要通信。

在 BMS 中，MCU 的最重要標(biāo)準(zhǔn)是功能安全能力。隨著網(wǎng)絡(luò)化水平的持續(xù)提高，安全性也變得越來越重要。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。AM263P4-Q1 MCU 等器件作為多核器件，具有更高的計(jì)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。MCU 還需要支持開放和標(biāo)準(zhǔn)化的汽車軟件架構(gòu)，如汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) (AUTOSAR)，從而幫助提高安全性和縮短開發(fā)時間。

BMS 內(nèi)提高智能水平的技術(shù)：無線功能

將邊緣處理集成到無線 BMS 中標(biāo)志著一項(xiàng)關(guān)鍵的進(jìn)步。將計(jì)算過程推向邊緣可以增強(qiáng)實(shí)時決策能力、減少延時并提升汽車系統(tǒng)的整體性能。

更大限度減少將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊惺?ECU 的需求可縮短響應(yīng)時間，這對于需要即時反饋的應(yīng)用（例如自適應(yīng)電池管理和動態(tài)能量分配）而言至關(guān)重要。無線 BMS 可以利用邊緣計(jì)算對電池健康狀態(tài)、使用模式和環(huán)境因素執(zhí)行實(shí)時分析。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠即時調(diào)整和優(yōu)化電池性能，從而幫助車輛在不同條件下實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行效率。此外，通過在本地處理重要數(shù)據(jù)，無需再通過更多的網(wǎng)絡(luò)傳輸敏感信息，因此可以降低相關(guān)網(wǎng)絡(luò)威脅的風(fēng)險。

TI 的軟件定義無線電解決方案（如圖 4 所示）可以消除傳統(tǒng)電纜的限制，從而在軟件定義車輛的復(fù)雜架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)更具創(chuàng)意和更高效的集成。

圖 4. 無線 BMS 的軟件定義無線電解決方案中的集成級別。

無線 BMS 能夠動態(tài)適應(yīng)不斷變化的車輛配置。隨著電池包的不斷發(fā)展，無線解決方案可確保無縫集成各種更新或修改內(nèi)容，為這些系統(tǒng)提供面向未來的解決方案。無線 BMS 還采用安全通信協(xié)議和多層冗余等先進(jìn)技術(shù)，可增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

BMS 內(nèi)提高智能水平的技術(shù)：智能接線盒

智能電池接線盒通過電壓、電流和絕緣電阻電池包監(jiān)測器幫助直接測量電池中的高電壓。典型的電池包監(jiān)測器中提供多個電壓和電流測量通道，可測量保險絲和接觸器兩端的電壓并檢查隔離情況。圖 5 是電池接線盒的簡化系統(tǒng)圖。

圖 5. 簡化版 BJB 系統(tǒng)方框圖。

在電池管理系統(tǒng)中，有兩項(xiàng)關(guān)鍵功能：電池?cái)嚅_和配電。接觸器驅(qū)動器和熱熔絲爆管驅(qū)動器可在碰撞過程中斷開電池包與電動汽車系統(tǒng)的連接，智能電池接線盒整合了針對這些驅(qū)動器的數(shù)字控制功能。

為了實(shí)現(xiàn)高壓電池?cái)嚅_，可以使用熔斷型保險絲或熱熔型保險絲。車輛中的大電流系統(tǒng)會引入新的情況，因此汽車市場不再使用由過流熱事件進(jìn)行觸發(fā)的傳統(tǒng)熔斷型保險絲，而是改用通過 MCU/HUB 進(jìn)行觸發(fā)的熱熔型保險絲。如今，熱熔絲由分立式復(fù)雜電路進(jìn)行驅(qū)動，可能導(dǎo)致效率低下。TI 推出了用于部署電動汽車熱熔絲的單通道爆管驅(qū)動器 DRV3901-Q1。該器件提供高度集成、基于安全目的開發(fā)的解決方案，能夠在過流時通過熱熔絲快速斷開電池，旨在替代傳統(tǒng)的熔斷型保險絲系統(tǒng)。

高壓配電接觸器也需要能夠處理更大的電流，但可選產(chǎn)品要么有限且價格昂貴，要么過于復(fù)雜。節(jié)能型接觸器帶有設(shè)計(jì)更安全、更智能、互聯(lián)程度更高的電池管理系統(tǒng) 4 January 2024額外的高電阻節(jié)能器線圈，可以減少接觸器通電時的流耗和發(fā)熱，從而提高主接觸器的效率。雖然這些節(jié)能型接觸器聽起來像是提高系統(tǒng)效率的解決方案，但目前的可選產(chǎn)品有限，而且成本往往過高。相比之下，非節(jié)能型接觸器沒有這種額外的線圈，因此可以降低成本，但必須由更復(fù)雜的分立式電路進(jìn)行驅(qū)動才能滿足安全和效率標(biāo)準(zhǔn)。為了降低非節(jié)能型接觸器的驅(qū)動電路的復(fù)雜性和成本，同時提高效率和可靠性，德州儀器 (TI) 投資開發(fā)了 DRV3946-Q1 器件。該器件是一款完全集成的雙通道接觸器驅(qū)動器，可讓設(shè)計(jì)人員獲得更大的自由度和設(shè)計(jì)靈活性。

圖 6. BMS 內(nèi)適用于大功率情形的電池?cái)嚅_和配電。

電池包使用由電池包監(jiān)測器控制的機(jī)械接觸器來連接或斷開整個車輛的子系統(tǒng)。如果出現(xiàn)不受控制的浪涌電流，機(jī)械高壓接觸器可能會因電弧和點(diǎn)蝕而焊接或損壞。為何高電壓系統(tǒng)需要預(yù)充電電路 介紹了如何使用 TPSI3050-Q1 隔離式開關(guān)驅(qū)動器來構(gòu)成可靠的固態(tài)繼電器，以便在汽車電池接線盒中進(jìn)行預(yù)充電。對于智能電池接線盒，可以在此類預(yù)充電應(yīng)用中采用 TPSI3100-Q1，從而通過其集成的隔離式比較器和故障報(bào)告輸出功能來進(jìn)一步增強(qiáng)診斷能力。這些功能可以與過流或溫度監(jiān)測電路相結(jié)合，使此類故障檢測電路能夠通過 TPSI3100-Q1 可靠地反饋這些信息，并將所有這些事件報(bào)告給電池包監(jiān)測器。

高壓電池包的正極端子和負(fù)極端子必須與車輛底盤完全分離，從而保護(hù)駕駛員或技術(shù)人員免受潛在電擊。對這種分離的定期監(jiān)測稱為隔離檢查或絕緣電阻監(jiān)測。TPSI2140-Q1 等固態(tài)繼電器用于連接和斷開與未知電阻值（電池端子和底盤接地之間的電阻值）并聯(lián)的已知電阻值（例如 1MΩ）。通過使用 BQ79731-Q1 等電池包監(jiān)測器來測量組合電阻，可以確定電池分離是否在容差范圍內(nèi)或是否存在潛在危害。

數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)和車隊(duì)管理

BMS 中的軟件實(shí)施也在不斷創(chuàng)新。獲得精確的電池包和電芯測量是實(shí)現(xiàn)比卡爾曼濾波器或庫侖計(jì)數(shù)更先進(jìn)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(shí)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。如果將數(shù)據(jù)集中在云中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以監(jiān)控整個車隊(duì)并啟用預(yù)測服務(wù)。例如，如果事先發(fā)現(xiàn)并存儲了某種故障模式，則算法能夠及早檢測到故障跡象，并計(jì)算出其他車輛未來發(fā)生故障的概率，以便主動請求檢修服務(wù)。此功能稱為創(chuàng)建數(shù)字孿生，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)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。

Electra 致力于開發(fā)人工智能推動的電池包解決方案，TI 與 Electra 密切合作將電動汽車電池進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，使 BMS 更智能、互聯(lián)程度更高。Electra 的 EVE-Ai 360 車隊(duì)分析軟件是一款電池分析工具，可利用特定于車輛以及整個車隊(duì)的電池包數(shù)據(jù)來生成電池健康狀態(tài)趨勢和預(yù)測模型。該軟件使用來自電池、車輛和環(huán)境的數(shù)據(jù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在潛在的電池問題和故障發(fā)生之前識別到這些問題和故障，從而提升車隊(duì)效率和表現(xiàn)。

TI 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(jī)器學(xué)習(xí)服務(wù)以改進(jìn)車隊(duì)和車輛 X 狀態(tài)測量，有助于實(shí)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。

結(jié)語

BMS 是許多顛覆性和創(chuàng)新性概念的核心。TI 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。