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基本架構如圖1所示：
圖1電池管理系統(tǒng)BMS架構
隨著汽車電子軟硬件復雜性提高，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，不僅是響應技術趨勢的需求,，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,，相應的需求最為苛刻,。一般而言，主流車廠認為BMS應該需要達到的安全等級至少是ASIL-C,。
在得出安全等級ASIL后,，需要設立安全目標（Safety Goal），并提出相應的安全需求（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致電池性能下降和不可恢復性損壞，甚至導致電池變形,、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應該能及時發(fā)現(xiàn)電池過充情況并作出處理,，對應地，要從單點失效和潛在失效等方面考慮設計安全機制，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)絡高速收發(fā)器,、系統(tǒng)基礎芯片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換,。
恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡拓撲結構,，包括集中式、分布式菊花鏈結構以及集中式,、分布式CAN網(wǎng)絡結構,。菊花鏈式網(wǎng)絡可顯著降低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,，部分車廠和供應商的功能安全開發(fā)經(jīng)驗不足，導致開發(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標準設計，結合外部的系統(tǒng)基礎芯片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領域,，任何對安全要求很嚴格的應用都可以采用MPC574xP,，如新能源汽車電機控制、EPS（電子助力轉向系統(tǒng)）,、剎車,、安全氣囊和汽車底盤應用等。
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,，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
⊿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)絡拓撲結構,，能滿足不同的應用需求。
⊿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計,，使BMS產(chǎn)品符合ISO26262標準。
