《電子技術(shù)應(yīng)用》
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鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器F-RAM在動(dòng)力電池管理上的應(yīng)用

2019-03-26

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展,,以及政府的政策鼓勵(lì)與扶持,,電動(dòng)汽車(混動(dòng)+純電動(dòng))以每年超過50%的速度高速增長(zhǎng),,電池以及電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心組件,,其市場(chǎng)需求也獲得相應(yīng)的快速增長(zhǎng),。本文將就電池管理系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的需求進(jìn)行分析,。

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, 即BMS)主要實(shí)現(xiàn)三大核心功能:電池充放電狀態(tài)的預(yù)測(cè)和計(jì)算(即SOC),、單體電池的均衡管理,,以及電池健康狀態(tài)日志記錄與診斷,。功能框圖如下:

1.jpg 

在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中,,電池荷電狀態(tài)的預(yù)測(cè)和計(jì)算(即SOC)是其最重要的功能,因?yàn)橛辛司_的電池充電/放電狀態(tài)的預(yù)測(cè)/計(jì)算,,才能進(jìn)行有效均衡管理,。所以,SOC精準(zhǔn)度的要求是越高越好,。

為了提高SOC的精準(zhǔn)度,,除了要采集電池的電壓、電流參數(shù),,還需要提供諸如阻抗,、溫度、環(huán)境溫度,、充放電時(shí)間等多種參數(shù),。電池固有參數(shù)會(huì)通過數(shù)學(xué)建模的方式,建立軟件模型,,而動(dòng)態(tài)參數(shù)則通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù),,并實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)傳輸至MCU單元存儲(chǔ),然后MCU對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計(jì)算,,從而得出精確的電池荷電狀態(tài),。

因此,,SOC功能會(huì)將不同電池的模型存入存儲(chǔ)器,該存儲(chǔ)器需具有低功耗,、快速讀寫,、接口簡(jiǎn)單以及數(shù)據(jù)保持時(shí)間達(dá)到20年的要求;SOC功能需要采集卡不停地實(shí)時(shí)將采集的電池電壓/電流數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器,,假如一個(gè)MCU單元,,對(duì)接10路單體電池的采集數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)卡一般會(huì)采用1MB的isoSPI總線進(jìn)行通信,,即對(duì)于MCU單元的存儲(chǔ)器,,接口速率要求高且?guī)缀趺棵胫卸家M(jìn)行一次數(shù)據(jù)寫操作;而電池的壽命要求至少是10年,,假如一臺(tái)車運(yùn)行時(shí)間是8小時(shí),,那么MCU單元的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫操作在電池包生命周期內(nèi)的寫次數(shù)為1億5百萬次。

綜上分析可見,,BMS里面的SOC功能非常關(guān)鍵,,所以其對(duì)存儲(chǔ)器的性能與可靠性也是非常高:必須是非易失性的存儲(chǔ)器,擦寫次數(shù)至少要超過1.1億次,,接口速率大于8MHz,,低功耗且數(shù)據(jù)能夠可靠保存20年的時(shí)間,需要符合AECQ-100,,未來需要通過功能安全認(rèn)證,,至少具有ASILB等級(jí)。

目前主流的非易失性的存儲(chǔ)器有EEPROM,、 Flash 以及F-RAM,。EEPROM 的接口有SPI接口,速率可以做到10Mhz,,但是每次寫都有一個(gè)5ms寫等待時(shí)間,,擦寫次數(shù)是1百萬次,功耗中等,,有車規(guī)級(jí)器件,,但是目前未做功能安全認(rèn)證,數(shù)據(jù)保持能力也可以做到20年,。

Flash的讀寫速度較慢,,每次寫操作都必須進(jìn)行擦寫,因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時(shí)間,,擦寫次數(shù)也只能支持10萬次,,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1.1億次的要求,數(shù)據(jù)保持能力在10年到20年之間,。

F-RAM 是通過鐵電這種特殊材料作為存儲(chǔ)介質(zhì),,其具有高可靠性,,數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年,完全隨機(jī)不需要寫等待的高讀寫效率,,SPI接口速率最高可以支持到50Mhz或108MHz QSPI,,并且具有非常低的功耗;由于其特殊的鐵電材質(zhì),,所以該類型存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)可以高達(dá)100億次。如下圖所示:

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如上圖所示,,F(xiàn)-RAM作為一款獨(dú)特的非易失性存儲(chǔ)器,,無論在寫入速度、耐久性還是在功耗與可靠性方面,,都是目前實(shí)現(xiàn)高可靠性BMS系統(tǒng)的最佳存儲(chǔ)器選擇,。

美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司(Cypress Semiconductor Inc.)作為全球領(lǐng)先的F-RAM核心供應(yīng)商,提供非常齊全的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器F-RAM產(chǎn)品,,容量由4Kb到8Mb,,接口為I2C/SPI 接口,具有幾乎無限次的讀寫次數(shù)(100億次讀寫周期),,QSPI接口速率高達(dá)108Mhz,,不需要寫等待時(shí)間,工作電流低至0.6mA,,是能夠承受125度高溫的汽車級(jí)芯片解決方案,,并且符合ASIL-B。


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