引言

　　本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202203/431880.htm

　　在汽車行業(yè),，提高安全性永遠是不變的科技趨勢。電池管理系統(tǒng)BMS引入汽車電子行業(yè)標準ISO26262,，有助于規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量體系,，推動行業(yè)健康發(fā)展。

　　BMS簡介

　　BMS即Battery Management System,，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上扮演重要作用,。廣義上,，BMS包含傳統(tǒng)的12/24V鉛酸電池管理，這里討論的BMS主要是針對HEV/EV的動力電池管理,，從48V的弱混動到500V以上的全電動,，恩智浦的BMS解決方案都可以覆蓋。一般來說,，BMS由一個主控單元和多個從控單元組成,，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,，主控單元通過CAN總線或Daisy Chain（菊花鏈）通信等方式管理多個從控單元。

　　按照新能源汽車對電池管理的需求,，BMS具備的功能包括：

　　SOC/SOH估算：SOC即電池荷電狀態(tài),，用于衡量電池剩余電量，對于判斷汽車可行駛里程十分重要,。

　　故障診斷：故障診斷用于判斷電池的當前狀態(tài),，及時正確識別電池充放電過程中的過壓,、欠壓、過溫等異常情況有助于避免事故發(fā)生,。

　　均衡控制：均衡控制主要是消除單體電池之間的容量差異,，達到一致性，延長電池使用壽命,。

　　熱管理和充電管理等

　　BMS基本架構(gòu)如圖1所示：

　　圖1電池管理系統(tǒng)BMS架構(gòu)

　　隨著汽車電子軟硬件復(fù)雜性提高,，來自系統(tǒng)失效和隨機硬件失效的風險日益增加，隨著汽車電子行業(yè)標準ISO26262的發(fā)布,，使得人們對功能安全有了深入的理解,，對評估、避免這些風險提供了可靠的流程保證,。電池管理BMS引入ISO26262標準,，不僅是響應(yīng)技術(shù)趨勢的需求，而且確實能為BMS帶來質(zhì)的變化,，從長遠來看,，有利于行業(yè)健康發(fā)展。

　　BMS功能安全開發(fā)流程簡介

　　ISO26262定義的功能安全標準涵蓋了產(chǎn)品的管理,、開發(fā),、生產(chǎn)、經(jīng)營,、服務(wù)和報廢等階段,，覆蓋產(chǎn)品的整個生命周期，產(chǎn)品開發(fā)時主要關(guān)注的階段有概念,、系統(tǒng)級開發(fā),、硬件開發(fā)和軟件開發(fā)等階段。

　　在功能安全概念階段要做系統(tǒng)危害分析（Hazard Analysis）和風險評估（Risk Assessment）,，得出汽車安全完整性等級ASIL（Automotive Safety Integrity Level）,。

　　ISO26262標準規(guī)定了A到D四個安全等級，其中D級為最高等級,，相應(yīng)的需求最為苛刻,。一般而言，主流車廠認為BMS應(yīng)該需要達到的安全等級至少是ASIL-C,。

　　在得出安全等級ASIL后，需要設(shè)立安全目標（Safety Goal）,，并提出相應(yīng)的安全需求（Safety Requirement）和安全機制（Safety Mechanism）,，并在必要的時候做功能安全等級分解。

　　ISO26262給出了三個指標：單點故障指標SPFM,，潛在故障指標LFM和隨機硬件失效指標PMHF,，用于去評估系統(tǒng)的安全性等級,。

　　圖2ISO26262安全生命周期

　　例如，在BMS開發(fā)過程中,，對BMS的危害分析有過壓（過充）,、欠壓、過溫和過流等危害事件,，如過壓可能是一個比較嚴重的事件,，尤其長時間對電池過充會導(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,，通過對過充這個事件進行危害分析和風險評估，得出其安全等級是ASIL-C或者ASIL-D（在不同應(yīng)用場景下分析下得出的安全等級可能不一樣）,，那么系統(tǒng)的安全目標就是BMS應(yīng)該能及時發(fā)現(xiàn)電池過充情況并作出處理,，對應(yīng)地，要從單點失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計安全機制,，最后用前面提到的度量指標進行安全性評估,。

　　恩智浦符合功能安全的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、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等,。借助恩智浦的BMS方案,，客戶可輕易實現(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標準的器件,，主控單元MPC574xP安全等級達到ASIL-D,，模擬前端電池控制器MC33771安全等級達到ASIL-C，SBC（System Basic Chip）系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65安全等級達到ASIL-D,。采用這套方案可簡化軟硬件設(shè)計,，幫助客戶輕松實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級達到ASIL-C/D。此外,，恩智浦提供符合功能安全的參考設(shè)計,，極大加速客戶開發(fā)符合ISO26262標準的BMS產(chǎn)品。

　　圖3恩智浦BMS菊花鏈式解決方案

　　在該方案中,，主控單元采用的MPC574xP是一款基于Power architecture,、具有l(wèi)ock step核的高性能、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)控和眾多安全機制，支持fail-safe安全保護模式,，MCU搭配SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片可實現(xiàn)更高的安全等級,。

　　⊿模擬前端MC33771負責電池數(shù)據(jù)的采集,，一個MC33771最多可以接14節(jié)單體電池，多個MC33771可以級聯(lián)形成菊花鏈式通信,。

　　⊿MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層,，負責將SPI信號和差分信號進行轉(zhuǎn)換。

　　恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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),。菊花鏈式網(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，可滿足不同客戶的需求,。

　　鑒于目前國內(nèi)市場基于ISO26262的開發(fā)還處于起步階段,，部分車廠和供應(yīng)商的功能安全開發(fā)經(jīng)驗不足，導(dǎo)致開發(fā)符合IS026262標準的BMS難度較大,，并且要一下子達到系統(tǒng)級ASIL-C/D,，系統(tǒng)開發(fā)成本高，挑戰(zhàn)性巨大,。針對這種情況,，恩智浦提供一種具有低成本優(yōu)勢的方案，推薦主控單元MCU采用具有超高性價比的S32K14x,，該系列MCU基于ARM Cortex M4內(nèi)核,，按照ISO26262標準設(shè)計，結(jié)合外部的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65等,，可使系統(tǒng)安全等級達到ASIL-B,。另外，單個S32K14x達到ASIL-B等級,，通過軟硬件冗余設(shè)計也能使系統(tǒng)達到更高的安全等級ASIL-C,。

　　圖4恩智浦BMS CAN網(wǎng)絡(luò)解決方案

　　需要指出的是，在恩智浦公司,，所有按照ISO26262標準開發(fā)的器件,，都被囊括在恩智浦的SafeAssure計劃里。SafeAssure保證開發(fā)的產(chǎn)品符合ISO26262標準,，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詳細闡述了芯片所采用安全機制,，并指導(dǎo)用戶如何使用芯片可以達到比較高的安全性等級。FMEDA展示了芯片失效模型,、失效概率和診斷分析等,，客戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求對FMEDA進行裁剪。

　　恩智浦高性能,、高安全性微控制器

　　1.基于Power Architecture的MPC574xP

　　MPC574xP作為MPC5743L的下一代產(chǎn)品,，MPC5643L是第一個拿到第三方認證、符合ISO2626標準的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。

　　MPC574xP具有延遲鎖步核（lock step）,，可運行在200MHz,，兩個核執(zhí)行同樣的代碼，輸出結(jié)果進行比較,，如果發(fā)現(xiàn)不匹配,，可以觸發(fā)系統(tǒng)的安全機制，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，針對電源和時鐘的功能是否正常,，內(nèi)部有專門的監(jiān)控電路,。

　　針對Flash和RAM，有ECC保證讀寫數(shù)據(jù)的正確性,。針對ADC,，有BIST（Build In Self Test）自檢電路驗證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行過程中產(chǎn)生的異常事件,，并提交給MCU內(nèi)核做處理。

　　實際上,，MPC574xP不僅僅可運用在BMS領(lǐng)域,，任何對安全要求很嚴格的應(yīng)用都可以采用MPC574xP，如新能源汽車電機控制,、EPS（電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）,、剎車、安全氣囊和汽車底盤應(yīng)用等,。

　　圖5 MPC574xP安全特性

　　2.基于Power Architecture的MPC574xR

　　MPC574xR系列MCU特點與MPC574xP系列類似,，安全等級滿足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,，還提供了另外一個獨立的內(nèi)核,，這個內(nèi)核可單獨運行其他程序，該系列MCU提供了更高的性能,。

　　3.基于AMR Cortex M4的S32K14x

　　S32K14x系列MCU提供極強的性價比,，同時具有較高的安全等級，滿足ISO 26262 ASIL-B,。該系列MCU最大運行頻率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ADC/IO/溫度傳感器輸入,，支持14通道300mA板載被動均衡,。

　　總結(jié)

　　⊿功能安全是未來汽車電子行業(yè)的趨勢，也是恩智浦BMS方案的優(yōu)勢,，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)拓撲結(jié)構(gòu),，能滿足不同的應(yīng)用需求。

　　⊿恩智浦BMS解決方案具有高功能安全性和低成本優(yōu)勢特點,，基于MPC574xP的方案可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級ASIL-C/D,，基于S32K14x的方案具有極大的成本優(yōu)勢，同時可實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級ASIL-B/C,。

　　⊿恩智浦BMS解決方案可幫助客戶簡化功能安全設(shè)計,，使BMS產(chǎn)品符合ISO26262標準。