先進(jìn)汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)中的應(yīng)用趨勢(shì)
圖為北京科易動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)華劍鋒做會(huì)議演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動(dòng)力電池行業(yè)運(yùn)行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，加大動(dòng)力及儲(chǔ)能電池的開發(fā)應(yīng)用，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，雙登集團(tuán)股份有限公司、壹能（北京）網(wǎng)絡(luò)科技有限公司共同承辦的“2016年第五屆中國電池市場(chǎng)年會(huì)暨2016年第一屆動(dòng)力電池應(yīng)用國際峰會(huì)、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會(huì)聚集了來自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機(jī)構(gòu)專家、新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機(jī)構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會(huì)。
在本次會(huì)議上，北京科易動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)和博士華劍鋒做了題為《先進(jìn)汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)中的應(yīng)用趨勢(shì)》的專題報(bào)告，以下是根據(jù)速記整理的內(nèi)容，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
下面有請(qǐng)北京科易動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)華劍鋒先生，他報(bào)告題目是“先進(jìn)汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)中的應(yīng)用趨勢(shì)。”
華劍鋒：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家好！我是來自北京科易動(dòng)力的華劍鋒，感謝協(xié)會(huì)、感謝秘書長(zhǎng)給我們提供這么好的機(jī)會(huì)，能夠在這里跟大家分享一下我們?cè)陔姵毓芾硐到y(tǒng)方面開發(fā)的一些實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。我分享的主題主要是在汽車電子的細(xì)分領(lǐng)域，希望能夠給各位行業(yè)的專家們提供一些信息。
首先，請(qǐng)?jiān)试S我簡(jiǎn)單解說一下我們公司，科易動(dòng)力是一家獨(dú)立的第三方的BMS的PACK企業(yè)，我們?cè)诒本┯醒邪l(fā)中心，生產(chǎn)基地在蘇州，主要的產(chǎn)品就是給電動(dòng)汽車提供動(dòng)力電池系統(tǒng)，今年我們?cè)贐MS的PACK方面研發(fā)技術(shù)獲得了中國汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。今天主要想和大家分享的主題是關(guān)于汽車電子在BMS方面的一些開發(fā)的應(yīng)用。我們知道電池系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)里面的核心，是保障整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全和各項(xiàng)功能正常工作的重要的系統(tǒng)，但是今天分享的大部分主題都跟電動(dòng)汽車相關(guān)，如果從汽車電子角度來看，電池管理系統(tǒng)是非常重要的汽車電子控制系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)的開發(fā)以及應(yīng)用，勢(shì)必也必須要遵循汽車電子開發(fā)的一些規(guī)范和流程、標(biāo)準(zhǔn)，才能夠很好的滿足我們?cè)陔妱?dòng)汽車上能夠有個(gè)可靠、安全、穩(wěn)定的電池管理系統(tǒng)。首先我們先簡(jiǎn)單的介紹一下近期汽車電子技術(shù)的發(fā)展。
第一，傳感器的技術(shù)不斷進(jìn)步，性能不斷提高，數(shù)量不斷增加。像一些先進(jìn)的MEMS傳感器，在汽車上已經(jīng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，包括像位置、角速度、加速度等等一些信號(hào)測(cè)量，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛，隨著我們智能網(wǎng)聯(lián)汽車和無人駕駛的發(fā)展，像一些新型的汽車感知的傳感器，包括像攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等等，也在汽車上面得到了廣泛的應(yīng)用。
第二，車用處理器進(jìn)行不斷的升級(jí)，多核MCU成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。主要因?yàn)槠囯娮臃矫嬖絹碓綇?fù)雜的底層驅(qū)動(dòng)和上層算法的結(jié)合，使得我們必須在開發(fā)方面、在功耗、速度、成本方面，以及我們現(xiàn)在提的最多的功能安全方面，都必須采用新的多核處理器，才能夠達(dá)到我們現(xiàn)在的要求。我們可以看到最早的多核處理器上，采用了主CPU加上一些比較低級(jí)的處理器這樣的架構(gòu)，在最新的處理器架構(gòu)上，必須多個(gè)獨(dú)立的核進(jìn)行工作，才能滿足我們的要求。
第三，新型的一些數(shù)據(jù)總線和通信技術(shù)，在汽車方面應(yīng)用日益普及，包括我們提到的Flexray，車載以太網(wǎng)，以及CANFD一些新的總線技術(shù)，在汽車電子方面得到了廣泛的應(yīng)用。
第四，先進(jìn)軟件架構(gòu)，基于模型來開發(fā)驗(yàn)證體系，在汽車電子行業(yè)已經(jīng)形成了十分成型的規(guī)范體系。我們大部分的汽車電子軟件都是要基于模型的開發(fā)和驗(yàn)證才能保證在整個(gè)軟件的可靠性，以及在滿足功能安全方面的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到我們的要求。此外，AUTOSAR的軟件架構(gòu)和安全體系是開發(fā)當(dāng)中必不可少的環(huán)節(jié)。
我想針對(duì)這四點(diǎn)展開一系列的報(bào)告，主要是在電池管理系統(tǒng)方面的應(yīng)用。因?yàn)闀r(shí)間有限，關(guān)于傳感器的應(yīng)用我們不在這兒講了，其實(shí)新型傳感器的電池管理系統(tǒng)應(yīng)用也非常廣泛，包括對(duì)熱失控的監(jiān)控，一些化學(xué)成份的傳感器，激光方面的傳感器，包括像激光光纖的應(yīng)用，對(duì)提高我們電池管理安全性也有很多的進(jìn)展。
我們說說多核處理器在電池管理中的應(yīng)用。這是我們電池管理系統(tǒng)的平臺(tái)，我們電池管理系統(tǒng)平臺(tái)采用了五核的處理器，滿足功能安全的各項(xiàng)系統(tǒng)架構(gòu)，具備三個(gè)獨(dú)立的模型和兩個(gè)功能安全核，在功能安全方面做了全面設(shè)計(jì)。BMS的算法是非常復(fù)雜的，復(fù)雜的算法方面我們都是基于模型進(jìn)行開發(fā)的，比如我們現(xiàn)在主要的三大算法，包括安全性的算法、耐久性的算法、動(dòng)力性的算法，這塊，每一塊的算法對(duì)于我們要求都是不一樣的，比如安全性的算法，主要是要滿足整車廠的要求，對(duì)我們大部分的安全進(jìn)行實(shí)施的監(jiān)控，因此它的控制周期我們一般會(huì)控制在10毫秒以內(nèi)。像動(dòng)力性方面，主要是一些基于電池模型的回歸和辨識(shí)算法，比如像SOC、SOE、SOP的一些估計(jì)，需要在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些模型辨識(shí)的處理，最終得到一個(gè)精確的SOC、SOP、SOE的結(jié)果，對(duì)于SOH，以及對(duì)于我們均衡的一些算法來說，它的周期就更長(zhǎng)了，因?yàn)樗枰塾?jì)很長(zhǎng)時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，在合適的時(shí)機(jī)對(duì)模型進(jìn)行修正和辨識(shí)。這三塊都對(duì)我們的工作特性和計(jì)算帶來不同的要求，也就是簡(jiǎn)單的來說，我們的幾個(gè)算法，從我們的三大塊算法來說，每一塊的算法，從耐久性到安全性來說，它和項(xiàng)目的相關(guān)程度是逐漸提升的，但是對(duì)于算法的難度和保密性又是反過來的。因此基于我們的多核處理器的平臺(tái)，主要用的是英飛凌的TC275的處理器，有三個(gè)獨(dú)立的處理器，有兩個(gè)功能安全核，可以做到互相訪問和數(shù)據(jù)共享。這個(gè)基礎(chǔ)上我們?nèi)齻€(gè)算法是獨(dú)立的運(yùn)行在三個(gè)核當(dāng)中的，因此這三個(gè)核可以獨(dú)立的承擔(dān)我們每一個(gè)主要的運(yùn)算的算法。同時(shí)，我們做到這三個(gè)核的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，能夠做到獨(dú)立建模、獨(dú)立下載、獨(dú)立調(diào)試。
在整個(gè)軟件的開發(fā)體系當(dāng)中，我們是基于這個(gè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)核的軟件開發(fā)上，都實(shí)現(xiàn)了一體的集成化，使得開發(fā)團(tuán)隊(duì)上以及實(shí)際應(yīng)用上都做到了獨(dú)立開發(fā)和聯(lián)合開發(fā)的兼容。比如說我的核心算法，SOH的算法，可能由我們SOH這個(gè)團(tuán)隊(duì)在我們研發(fā)中心不停的去研究，他可能半年才會(huì)更新一次，但是比如說對(duì)我們安全性的算法，可能我們每一個(gè)項(xiàng)目，甚至同一個(gè)項(xiàng)目不同車型，可能都有另外一波工程師不斷的進(jìn)行更新，做到了實(shí)時(shí)的聯(lián)合開發(fā)。這個(gè)詳細(xì)的內(nèi)存管理方式這里不多提了，主要想強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，對(duì)于三個(gè)核的獨(dú)立開發(fā)模式，通過有效的內(nèi)存管理機(jī)制，我們可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)其中的一個(gè)核失效的時(shí)候，另外一個(gè)核承擔(dān)這個(gè)核的工作內(nèi)容，使得我們電池管理系統(tǒng)，硬件架構(gòu)上完全滿足功能安全這么一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求。剛才說到了三個(gè)獨(dú)立的核，另外兩個(gè)核，主要是按照功能安全的要求，對(duì)我們關(guān)鍵的兩個(gè)計(jì)算核進(jìn)行校驗(yàn)的作用。
小結(jié)一下，滿足功能安全要求，采用具有LockStep的多核處理器是必然的趨勢(shì)，而且多核處理器有很多算法方面的優(yōu)勢(shì)。
下面主要介紹一下總線的技術(shù)進(jìn)展。我們知道這是最常見的電池管理的架構(gòu)，這種CAN總線的拓補(bǔ)是比較適合于商用車的，比如說體積比較大的、分布距離比較遠(yuǎn)的電池管理系統(tǒng)，CAN總線的方式是保持電池管理系統(tǒng)通訊穩(wěn)定的選擇。但是如果隨著我們算法越來越復(fù)雜，我們把控制周期逐漸的提高，比如說提高到10毫秒的時(shí)候，我們可以算一下，比如在這種情況下CAN總線的通行速率是不能滿足我們現(xiàn)在的要求的，比如對(duì)一個(gè)商用車要求來說，假設(shè)一個(gè)150串的電池系統(tǒng)的話，傳遞所有的數(shù)據(jù)會(huì)使CAN總線的負(fù)載率達(dá)到60%，我們知道一般CAN總線負(fù)載率在30%以下才是穩(wěn)定的系統(tǒng)。
在這里我們應(yīng)用最新的CANFD技術(shù)，其實(shí)是CANFD技術(shù)是博世采用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，2015年的時(shí)候已經(jīng)進(jìn)入到新的ISO11898標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，其實(shí)就是在數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)候，提高數(shù)據(jù)報(bào)文的頻率，使得同樣CAN報(bào)文的8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)能夠達(dá)到64個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，采用CANFD的通訊數(shù)據(jù)之后，使得負(fù)載率達(dá)到10%左右，能夠在10毫秒周期實(shí)時(shí)地獲得我們所有內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。
另外一個(gè)比較流行的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，就是我們經(jīng)常說的菊花鏈的結(jié)構(gòu)，是基于現(xiàn)在新的芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這樣菊花鏈的拓補(bǔ)其實(shí)比較適合乘用車，或者是集中式的BMS，總的來說電磁兼容性和CAN總線還是有一些差距，我們也進(jìn)行了不少驗(yàn)證，因此對(duì)于整個(gè)電磁兼容性方面的考慮是比較重要的。我們看一些不同廠商的主流的菊花鏈的方案，比如說英飛凌等都有不同的解決方案，我們知道采用菊花鏈最大的目標(biāo)就是節(jié)省成本，我們可以節(jié)省一個(gè)CPU、節(jié)省一個(gè)電源，但是使用菊花鏈的時(shí)候也使用一些隔離器件，比如隔離變壓器、電容等等一些器件。實(shí)際上隔離變壓器的成本和MCU已經(jīng)差不多了。英飛凌采用這個(gè)電容的方案，可以得到很低的成本。
菊花鏈在速度上是能夠滿足乘用車的要求的，但是由于菊花鏈通訊的問題，會(huì)導(dǎo)致你最低的一個(gè)電池模塊造成電池不均衡的問題，因?yàn)樗械男酒╇姸际菑碾姵厣蟻慝@取的，包括所有通訊的耗電，因此可以想象的就是，在最低的這個(gè)電池模塊上，它通訊的數(shù)據(jù)是最多的。因此我們必須考慮這種長(zhǎng)期帶來電池不均衡的問題，所以一般情況下通過雙向環(huán)形的菊花鏈，數(shù)據(jù)一會(huì)兒從這個(gè)方向走、一會(huì)兒從那個(gè)方向走，保證我們電池模塊的均衡。使用菊花鏈最重要的問題要考慮電磁兼容性，最重要的要關(guān)注大電流注入的電磁兼容特性。
在這里我們也想提一下，在這樣一些單體電壓測(cè)量的集成芯片上，一些低功耗休眠喚醒技術(shù)已經(jīng)使用，能實(shí)現(xiàn)BMS全部斷電之后仍然可以進(jìn)行均衡，對(duì)我們現(xiàn)在的均衡體系能夠非常好的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)全天候的升級(jí)。我們現(xiàn)在電壓的均衡方法是非常不滿足功能安全的，因?yàn)橹荒茉诔潆姷臅r(shí)候甚至快充的時(shí)候才能進(jìn)行均衡控制，所以為了在這么短的時(shí)間內(nèi)能夠把電池均衡過來，我們現(xiàn)在很多電池管理系統(tǒng)都在宣稱5安或者10安、20安的均衡電流，對(duì)于汽車電子的功能安全來說是非常可怕的事情，一旦失效造成的后果是不堪設(shè)想的。
全天候均衡是什么意思，我的系統(tǒng)在不帶電和斷電的情況下，只要估算出我的均衡量之后，在集成芯片當(dāng)中均衡的模塊會(huì)根據(jù)你的需要去進(jìn)行均衡，并且在均衡的結(jié)果滿足BMS的均衡結(jié)果要求或者發(fā)生故障的時(shí)候，把主MCU給喚醒，同時(shí)對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行其他的處理。就是說我均衡時(shí)間可以是24小時(shí)，相比比如說我可能全天只有半個(gè)小時(shí)可以均衡的時(shí)候，我的均衡電流只需要是之前的可能是1/20或者1/30，200毫安的均衡電流，就可以實(shí)現(xiàn)比如說4安培、5安培的均衡效果。
功能安全，也是對(duì)整個(gè)電壓監(jiān)測(cè)十分必要的發(fā)展趨勢(shì)，未來我們所有單體電壓的監(jiān)控都必須采用功能安全的結(jié)構(gòu)，比如右邊的這個(gè)英飛凌的架構(gòu)，一個(gè)通道設(shè)計(jì)了獨(dú)立的ADC，同時(shí)還設(shè)立了一個(gè)備份的ADC，這是滿足功能安全的要求。
總結(jié)一下，CANFD的技術(shù)未來在CAN總線拓補(bǔ)架構(gòu)上有很大的應(yīng)用前景，對(duì)于菊花鏈的架構(gòu)比較適合于乘用車，但是要關(guān)注電磁兼容性，以及長(zhǎng)期通信帶來的電池不均衡的現(xiàn)象。
基于模型開發(fā)軟件方面，我們主要要解決的問題是，電池管理系統(tǒng)的算法復(fù)雜度高，客戶變化需求多，怎么開發(fā)出可靠的電池管理系統(tǒng)軟件，保證程序和算法的穩(wěn)定性、可靠性，避免嚴(yán)重的安全事故。這塊我們主要通過基于模型的開發(fā)流程，就是我們汽車電子經(jīng)常提到的V流程，簡(jiǎn)單來說，其實(shí)就是從系統(tǒng)分析開始再到軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及到軟件模塊以及自動(dòng)代碼生成的時(shí)候，每個(gè)階段都必須有每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法、標(biāo)準(zhǔn)流程，通過應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件的一些工具，比如我們經(jīng)常用的一系列標(biāo)準(zhǔn)工具，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的驗(yàn)證，才能滿足汽車電子軟件開發(fā)的要求。比如像Mathworks提供了全面的解決方案。
這個(gè)方面我們也建立了全面的電池管理算法，開發(fā)驗(yàn)證的平臺(tái)，像軟件層次的架構(gòu)，也都全部進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在測(cè)試方面，從代碼生成、編譯等等方面都必須形成全面的閉環(huán)，才能夠滿足電池管理系統(tǒng)軟件可靠性開發(fā)的要求。可以借助一些第三方的工具來實(shí)現(xiàn)，比如說像TPT德國的標(biāo)準(zhǔn)流程軟件，可以很好的輔助我們建立起在電池管理系統(tǒng)方面開發(fā)一些流程，所謂的測(cè)試和引導(dǎo)、方法論方面的輔助都十分的全面。
硬件仿真方面，必須具備完整的硬件仿真設(shè)計(jì)，才能進(jìn)行全面的測(cè)試。比如說這是電池管理系統(tǒng)的全面測(cè)試，包括了比較復(fù)雜的電池模型，以及電池單體的模擬器，電流模擬器、電壓模擬器，以及絕緣溫度的模擬器，相當(dāng)于給BMS創(chuàng)造了全面的仿真環(huán)境來做全面的測(cè)試，一般來說，我們要完成一個(gè)BMS全面的測(cè)試要進(jìn)行3000—5000左右的測(cè)試案例，才能夠保證軟件的一個(gè)完整性。現(xiàn)在像國內(nèi)應(yīng)該也有很好的解決方案。
小結(jié)一下，基于模型的開發(fā)和驗(yàn)證流程才能保證算法和程序的穩(wěn)定和正確性。
最后總結(jié)，先進(jìn)傳感器的技術(shù)，會(huì)推動(dòng)電池管理系統(tǒng)，推動(dòng)測(cè)量方面的技術(shù)進(jìn)步，尤其是熱失控、高壓安全監(jiān)控等方面。隨著電池管理系統(tǒng)復(fù)雜性增加，采用LockStep的多核處理器是必然趨勢(shì)。CANFD和菊花鏈的技術(shù)將在電池管理系統(tǒng)上有很好的應(yīng)用前景。遵循電池汽車標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型的開發(fā)，是保證電池管理系統(tǒng)程序與算法穩(wěn)定性和正確性的有效方法。這些先進(jìn)的電池系統(tǒng)系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)有效提升電池管理的功能安全性、算法先進(jìn)性和系統(tǒng)可靠性。
我的分享大概是這些。謝謝大家！
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
