詳解基于ISO26262的動(dòng)力電池BMS解決方案

BMS(Battery Management System)即電池管理系統(tǒng)。作為新能源汽車“三電”核心技術(shù)之一，BMS在HEV/EV中發(fā)揮著重要作用。廣義上，BMS包含傳統(tǒng)的12/24 V鉛酸電池管理，但這里討論的BMS主要是針對(duì)HEV/EV的動(dòng)力電池管理，從48 V的弱混動(dòng)到500 V以上的純電動(dòng)，恩智浦的BMS解決方案都可以覆蓋。一般來(lái)說(shuō)，BMS由一個(gè)主控單元和多個(gè)從控單元組成，從控單元直接連接電池包(Battery Pack)，采集電池的電壓、電流和溫度等，主控通過(guò)CAN總線或Daisy Chain(菊花鏈)通信等方式管理多個(gè)從控單元。

按照新能源汽車對(duì)電池管理系統(tǒng)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(jiàn)圖1)。SoC即電池荷電狀態(tài)，用于衡量電池剩余電量，對(duì)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(dāng)前狀態(tài)，及時(shí)正確識(shí)別電池的過(guò)壓、欠壓或過(guò)溫等異常情況有助于避免事故發(fā)生。均衡控制主要是消除單體電池之間的容量差異，達(dá)到一致性，延長(zhǎng)電池使用壽命。

隨著汽車電子軟硬件復(fù)雜性提高，來(lái)自系統(tǒng)失效和隨機(jī)硬件失效的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，隨著汽車電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO26262的發(fā)布，使得人們對(duì)功能安全有了深入的理解，對(duì)評(píng)估、避免這些風(fēng)險(xiǎn)提供了可靠的流程保證。電池管理BMS引入ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，不僅是順應(yīng)技術(shù)趨勢(shì)的發(fā)展需求，而且確實(shí)能為BMS帶來(lái)質(zhì)的變化，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有利于行業(yè)健康發(fā)展。

BMS功能安全開(kāi)發(fā)流程

ISO26262定義的功能安全標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的管理、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、服務(wù)和報(bào)廢等階段，覆蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)主要關(guān)注的階段有概念、系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)、硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)等階段。

在功能安全概念階段要做系統(tǒng)危害分析(Hazard Analysis)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(Risk Assessment)，得出汽車安全完整性等級(jí)ASIL(Automotive Safety Integrity Level)。ISO26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A到D四個(gè)安全等級(jí)，其中D級(jí)為最高等級(jí)，相應(yīng)的需求最為苛刻。一般而言，主流車廠認(rèn)為BMS需要達(dá)到的安全等級(jí)至少是ASIL-C。在得出安全等級(jí)ASIL后，需要設(shè)立安全目標(biāo)(Safety Goal)，并提出相應(yīng)的安全需求(Safety Requirement)和安全機(jī)制(Safety Mechanism)，并在必要的時(shí)候做功能安全等級(jí)分解(見(jiàn)圖2)。

ISO26262給出了三個(gè)指標(biāo)：?jiǎn)吸c(diǎn)故障指標(biāo)SPFM、潛在故障指標(biāo)LFM和隨機(jī)硬件失效指標(biāo)PMHF，用于評(píng)估系統(tǒng)的安全性等級(jí)。

例如：在BMS開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)BMS的危害分析有過(guò)壓(過(guò)充)、欠壓、過(guò)溫和過(guò)流等危害事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如過(guò)壓，可能是一個(gè)比較嚴(yán)重的事件，尤其長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電池過(guò)充會(huì)導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。通過(guò)對(duì)過(guò)充這類事件進(jìn)行危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出其安全等級(jí)是ASIL-C或者ASIL-D(在不同應(yīng)用場(chǎng)景下分析下得出的安全等級(jí)可能不一樣)，那么系統(tǒng)的安全目標(biāo)就是BMS應(yīng)該能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池過(guò)充情況并作出處理，對(duì)應(yīng)地，要從單點(diǎn)失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計(jì)安全機(jī)制，最后用前面提到的度量指標(biāo)進(jìn)行安全性評(píng)估。

符合功能安全的BMS解決方案

恩智浦提供完整的電池管理系統(tǒng)解決方案，包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網(wǎng)絡(luò)高速收發(fā)器和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等。借助恩智浦的BMS解決方案，用戶可輕易實(shí)現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡(luò)或菊花鏈的電池管理系統(tǒng)。恩智浦提供多種符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的器件，主控單元MPC574xP安全等級(jí)達(dá)到ASIL-D，模擬前端電池控制器MC33771安全等級(jí)達(dá)到ASIL-C，SBC(System Basic Chip)系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65安全等級(jí)達(dá)到ASIL-D。采用這套方案可簡(jiǎn)化軟硬件設(shè)計(jì)，幫助用戶輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全等級(jí)達(dá)到ASIL-C/D。此外，恩智浦提供符合功能安全的參考設(shè)計(jì)，極大加速用戶開(kāi)發(fā)符合ISO2626標(biāo)準(zhǔn)的BMS產(chǎn)品(見(jiàn)圖3)。

在圖3的方案中，主控單元采用的MPC574xP是一款基于PowerArchitecture、具有延遲鎖步核Lock Step核的高性能和高安全性MCU。SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65不僅提供多種可配置的電源選擇，而且提供電源監(jiān)控和眾多安全機(jī)制，支持Fail-Safe安全保護(hù)模式，MCU搭配SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片可實(shí)現(xiàn)更高的安全等級(jí)。模擬前端MC33771負(fù)責(zé)電池?cái)?shù)據(jù)的采集，一個(gè)MC33771最多可以接14節(jié)單體電池，多個(gè)MC33771可以級(jí)聯(lián)形成菊花鏈?zhǔn)酵ㄐ?。MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層，負(fù)責(zé)將SPI信號(hào)和差分信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括集中式、分布式菊花鏈結(jié)構(gòu)以及集中式、分布式CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。菊花鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)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，目前主要是基于CAN總線通信。恩智浦提供的BMS解決方案具有極大的靈活性，可以滿足不同用戶的需求(見(jiàn)圖4)。

鑒于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基于ISO26262的開(kāi)發(fā)還處于起步階段，部分車廠和供應(yīng)商的功能安全開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)符合IS026262標(biāo)準(zhǔn)的BMS難度較大，并且要一下子達(dá)到系統(tǒng)級(jí)ASIL-C/D，挑戰(zhàn)性巨大。針對(duì)這種情況，恩智浦提供一種折中的方案，推薦主控單元采用S32K14x系列MCU，結(jié)合外部的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65等，可使系統(tǒng)安全等級(jí)達(dá)到ASIL-B。另外，單個(gè)S32K14x達(dá)到ASIL-B等級(jí)，通過(guò)軟硬件冗余設(shè)計(jì)也能使系統(tǒng)達(dá)到更高的安全等級(jí)ASIL-C。

需要指出的是，在恩智浦，所有按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的器件，都被囊括在恩智浦的SafeAssure計(jì)劃里。SafeAssure保證開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，并提供必要的支持，提供功能安全相關(guān)的文檔(如Safety Manual和FMEDA等)，Safety Manual詳細(xì)闡述了芯片所采用安全機(jī)制，并指導(dǎo)用戶如何使用芯片可以達(dá)到比較高的安全性等級(jí)。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(jù)具體應(yīng)用需求對(duì)FMEDA進(jìn)行裁剪。[!--empirenews.page--]

高性能、高安全性微控制器

恩智浦還提供高性能、高安全性的微控制器。

1.基于Power Architecture的MPC574xP

MPC574xP是MPC5743L的下一代產(chǎn)品。MPC5643L是第一個(gè)拿到第三方認(rèn)證、符合ISO2626標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)圖5)。

MPC574xP具有延遲鎖步核Lock Step，可運(yùn)行在200 MHz，兩個(gè)核執(zhí)行同樣的代碼，輸出結(jié)果進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)不匹配，可以觸發(fā)系統(tǒng)的安全機(jī)制，通知用戶有異常發(fā)生，并作出相應(yīng)處理。MPC574xP具有很多的安全特性，針對(duì)電源和時(shí)鐘的功能是否正常，內(nèi)部有專門的監(jiān)控電路。針對(duì)Flash 和RAM，有ECC保證讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的正確性。針對(duì)ADC，有BIST(Build in Self Test)自檢電路驗(yàn)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(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的異常事件，并提交給MCU內(nèi)核做處理。

實(shí)際上，MPC574xP不僅僅可運(yùn)用在BMS領(lǐng)域，任何對(duì)安全要求很嚴(yán)格的應(yīng)用都可以采用MPC574xP，如新能源汽車電動(dòng)機(jī)控制、EPS(電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))、制動(dòng)、安全氣囊和底盤(pán)應(yīng)用等。

2.基于Power Architecture的MPC574xR

MPC574xR系列MCU特點(diǎn)與MPC574xP系列類似，安全等級(jí)滿足ISO26262 ASIL-D，不同的是除了MPC5743R(內(nèi)部只有鎖步核)，MPC5745/6R提供了鎖步核的同時(shí)，還提供了另外一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)核，這個(gè)內(nèi)核可單獨(dú)運(yùn)行其他程序，該系列MCU提供了更高的性能。

3.基于AMR Cortex M4的S32K14x

S32K14x系列MCU提供極強(qiáng)的性價(jià)比，同時(shí)具有較高的安全等級(jí)，滿足ISO 26262 ASIL-B。該系列MCU最大運(yùn)行頻率112 MHz，帶有SFPU，基于修改的Harvard架構(gòu)，支持緊密耦合的RAM和4 KB I/D緩存，支持SHE規(guī)范的硬件安全引擎，內(nèi)置48 MHz RC (IRC)振蕩器，支持CAN FD，利用FlexIO可仿真通信協(xié)議，如SPI、UART等。

4.模擬前端電池控制器MC33771

MC33771滿足ISO2626 ASIL-C，工作電壓范圍9.6 V ≤ VPWR ≤ 61.6 V，70 V瞬態(tài)電壓，支持7～14節(jié)電池，7個(gè)ADC/IO口/溫度傳感器輸入，支持14通道300 mA板載被動(dòng)均衡。

結(jié)語(yǔ)

功能安全是未來(lái)汽車電子行業(yè)的趨勢(shì)，也是恩智浦BMS解決方案的優(yōu)勢(shì)，恩智浦能夠提供BMS的全套解決方案，包括高性能、高安全性的微控制器和模擬器件，如基于Power Architecture微控制器MPC574xP和基于ARM Architecture的S32K14x，以及模擬前端電池控制器MC33771。恩智浦提供靈活的方案，支持集中式/分布式的CAN/菊花鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能滿足不同的應(yīng)用需求。恩智浦BMS解決方案可幫助用戶簡(jiǎn)化功能安全設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)安全等級(jí)符合ISO26262 ASIL-C/D。