先進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢
圖為北京科易動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監華劍鋒做會(huì )議演講
為了幫助企業(yè)客觀(guān)分析2016年動(dòng)力電池行業(yè)運行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動(dòng)力及儲能電池的開(kāi)發(fā)應用，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(kāi)帷幕。本次年會(huì )聚集了來(lái)自政府主管部門(mén)領(lǐng)導、知名科研機構專(zhuān)家、新能源汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機構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)總監和博士華劍鋒做了題為《先進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢》的專(zhuān)題報告，以下是根據速記整理的內容，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
下面有請北京科易動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監華劍鋒先生，他報告題目是“先進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢?！?/p>
華劍鋒：各位領(lǐng)導，各位專(zhuān)家，大家好！我是來(lái)自北京科易動(dòng)力的華劍鋒，感謝協(xié)會(huì )、感謝秘書(shū)長(cháng)給我們提供這么好的機會(huì )，能夠在這里跟大家分享一下我們在電池管理系統方面開(kāi)發(fā)的一些實(shí)踐和經(jīng)驗。我分享的主題主要是在汽車(chē)電子的細分領(lǐng)域，希望能夠給各位行業(yè)的專(zhuān)家們提供一些信息。
首先，請允許我簡(jiǎn)單解說(shuō)一下我們公司，科易動(dòng)力是一家獨立的第三方的BMS的PACK企業(yè)，我們在北京有研發(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(chē)提供動(dòng)力電池系統，今年我們在BMS的PACK方面研發(fā)技術(shù)獲得了中國汽車(chē)工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。今天主要想和大家分享的主題是關(guān)于汽車(chē)電子在BMS方面的一些開(kāi)發(fā)的應用。我們知道電池系統是整個(gè)動(dòng)力系統里面的核心，是保障整個(gè)動(dòng)力電池系統安全和各項功能正常工作的重要的系統，但是今天分享的大部分主題都跟電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)，如果從汽車(chē)電子角度來(lái)看，電池管理系統是非常重要的汽車(chē)電子控制系統，電池管理系統的開(kāi)發(fā)以及應用，勢必也必須要遵循汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)的一些規范和流程、標準，才能夠很好的滿(mǎn)足我們在電動(dòng)汽車(chē)上能夠有個(gè)可靠、安全、穩定的電池管理系統。首先我們先簡(jiǎn)單的介紹一下近期汽車(chē)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，數量不斷增加。像一些先進(jìn)的MEMS傳感器，在汽車(chē)上已經(jīng)得到了大規模的應用，包括像位置、角速度、加速度等等一些信號測量，現在已經(jīng)應用非常廣泛，隨著(zhù)我們智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)和無(wú)人駕駛的發(fā)展，像一些新型的汽車(chē)感知的傳感器，包括像攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等等，也在汽車(chē)上面得到了廣泛的應用。
第二，車(chē)用處理器進(jìn)行不斷的升級，多核MCU成為發(fā)展的必然趨勢。主要因為汽車(chē)電子方面越來(lái)越復雜的底層驅動(dòng)和上層算法的結合，使得我們必須在開(kāi)發(fā)方面、在功耗、速度、成本方面，以及我們現在提的最多的功能安全方面，都必須采用新的多核處理器，才能夠達到我們現在的要求。我們可以看到最早的多核處理器上，采用了主CPU加上一些比較低級的處理器這樣的架構，在最新的處理器架構上，必須多個(gè)獨立的核進(jìn)行工作，才能滿(mǎn)足我們的要求。
第三，新型的一些數據總線(xiàn)和通信技術(shù)，在汽車(chē)方面應用日益普及，包括我們提到的Flexray，車(chē)載以太網(wǎng)，以及CANFD一些新的總線(xiàn)技術(shù)，在汽車(chē)電子方面得到了廣泛的應用。
第四，先進(jìn)軟件架構，基于模型來(lái)開(kāi)發(fā)驗證體系，在汽車(chē)電子行業(yè)已經(jīng)形成了十分成型的規范體系。我們大部分的汽車(chē)電子軟件都是要基于模型的開(kāi)發(fā)和驗證才能保證在整個(gè)軟件的可靠性，以及在滿(mǎn)足功能安全方面的標準，達到我們的要求。此外，AUTOSAR的軟件架構和安全體系是開(kāi)發(fā)當中必不可少的環(huán)節。
我想針對這四點(diǎn)展開(kāi)一系列的報告，主要是在電池管理系統方面的應用。因為時(shí)間有限，關(guān)于傳感器的應用我們不在這兒講了，其實(shí)新型傳感器的電池管理系統應用也非常廣泛，包括對熱失控的監控，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用，對提高我們電池管理安全性也有很多的進(jìn)展。
我們說(shuō)說(shuō)多核處理器在電池管理中的應用。這是我們電池管理系統的平臺，我們電池管理系統平臺采用了五核的處理器，滿(mǎn)足功能安全的各項系統架構，具備三個(gè)獨立的模型和兩個(gè)功能安全核，在功能安全方面做了全面設計。BMS的算法是非常復雜的，復雜的算法方面我們都是基于模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，比如我們現在主要的三大算法，包括安全性的算法、耐久性的算法、動(dòng)力性的算法，這塊，每一塊的算法對于我們要求都是不一樣的，比如安全性的算法，主要是要滿(mǎn)足整車(chē)廠(chǎng)的要求，對我們大部分的安全進(jìn)行實(shí)施的監控，因此它的控制周期我們一般會(huì )控制在10毫秒以?xún)?。像?dòng)力性方面，主要是一些基于電池模型的回歸和辨識算法，比如像SOC、SOE、SOP的一些估計，需要在一定時(shí)間內對實(shí)時(shí)的數據進(jìn)行一些模型辨識的處理，最終得到一個(gè)精確的SOC、SOP、SOE的結果，對于SOH，以及對于我們均衡的一些算法來(lái)說(shuō)，它的周期就更長(cháng)了，因為它需要累計很長(cháng)時(shí)間的歷史數據，在合適的時(shí)機對模型進(jìn)行修正和辨識。這三塊都對我們的工作特性和計算帶來(lái)不同的要求，也就是簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，我們的幾個(gè)算法，從我們的三大塊算法來(lái)說(shuō)，每一塊的算法，從耐久性到安全性來(lái)說(shuō)，它和項目的相關(guān)程度是逐漸提升的，但是對于算法的難度和保密性又是反過(guò)來(lái)的。因此基于我們的多核處理器的平臺，主要用的是英飛凌的TC275的處理器，有三個(gè)獨立的處理器，有兩個(gè)功能安全核，可以做到互相訪(fǎng)問(wèn)和數據共享。這個(gè)基礎上我們三個(gè)算法是獨立的運行在三個(gè)核當中的，因此這三個(gè)核可以獨立的承擔我們每一個(gè)主要的運算的算法。同時(shí)，我們做到這三個(gè)核的開(kāi)發(fā)團隊，能夠做到獨立建模、獨立下載、獨立調試。
在整個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)體系當中，我們是基于這個(gè)技術(shù)，實(shí)現了三個(gè)核的軟件開(kāi)發(fā)上，都實(shí)現了一體的集成化，使得開(kāi)發(fā)團隊上以及實(shí)際應用上都做到了獨立開(kāi)發(fā)和聯(lián)合開(kāi)發(fā)的兼容。比如說(shuō)我的核心算法，SOH的算法，可能由我們SOH這個(gè)團隊在我們研發(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(shuō)對我們安全性的算法，可能我們每一個(gè)項目，甚至同一個(gè)項目不同車(chē)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(kāi)發(fā)。這個(gè)詳細的內存管理方式這里不多提了，主要想強調一點(diǎn)，對于三個(gè)核的獨立開(kāi)發(fā)模式，通過(guò)有效的內存管理機制，我們可以實(shí)現當其中的一個(gè)核失效的時(shí)候，另外一個(gè)核承擔這個(gè)核的工作內容，使得我們電池管理系統，硬件架構上完全滿(mǎn)足功能安全這么一個(gè)標準要求。剛才說(shuō)到了三個(gè)獨立的核，另外兩個(gè)核，主要是按照功能安全的要求，對我們關(guān)鍵的兩個(gè)計算核進(jìn)行校驗的作用。
小結一下，滿(mǎn)足功能安全要求，采用具有LockStep的多核處理器是必然的趨勢，而且多核處理器有很多算法方面的優(yōu)勢。
下面主要介紹一下總線(xiàn)的技術(shù)進(jìn)展。我們知道這是最常見(jiàn)的電池管理的架構，這種CAN總線(xiàn)的拓補是比較適合于商用車(chē)的，比如說(shuō)體積比較大的、分布距離比較遠的電池管理系統，CAN總線(xiàn)的方式是保持電池管理系統通訊穩定的選擇。但是如果隨著(zhù)我們算法越來(lái)越復雜，我們把控制周期逐漸的提高，比如說(shuō)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(xiàn)的通行速率是不能滿(mǎn)足我們現在的要求的，比如對一個(gè)商用車(chē)要求來(lái)說(shuō)，假設一個(gè)150串的電池系統的話(huà)，傳遞所有的數據會(huì )使CAN總線(xiàn)的負載率達到60%，我們知道一般CAN總線(xiàn)負載率在30%以下才是穩定的系統。
在這里我們應用最新的CANFD技術(shù)，其實(shí)是CANFD技術(shù)是博世采用的一個(gè)標準，2015年的時(shí)候已經(jīng)進(jìn)入到新的ISO11898標準當中，其實(shí)就是在數據報文的時(shí)候，提高數據報文的頻率，使得同樣CAN報文的8個(gè)字節的數據能夠達到64個(gè)字節的數據，采用CANFD的通訊數據之后，使得負載率達到10%左右，能夠在10毫秒周期實(shí)時(shí)地獲得我們所有內網(wǎng)的數據。
另外一個(gè)比較流行的拓補結構，就是我們經(jīng)常說(shuō)的菊花鏈的結構，是基于現在新的芯片技術(shù)實(shí)現的，這樣菊花鏈的拓補其實(shí)比較適合乘用車(chē)，或者是集中式的BMS，總的來(lái)說(shuō)電磁兼容性和CAN總線(xiàn)還是有一些差距，我們也進(jìn)行了不少驗證，因此對于整個(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(chǎng)商的主流的菊花鏈的方案，比如說(shuō)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就是節省成本，我們可以節省一個(gè)CPU、節省一個(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(mǎn)足乘用車(chē)的要求的，但是由于菊花鏈通訊的問(wèn)題，會(huì )導致你最低的一個(gè)電池模塊造成電池不均衡的問(wèn)題，因為所有的芯片供電都是從電池上來(lái)獲取的，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，它通訊的數據是最多的。因此我們必須考慮這種長(cháng)期帶來(lái)電池不均衡的問(wèn)題，所以一般情況下通過(guò)雙向環(huán)形的菊花鏈，數據一會(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(wèn)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BMS全部斷電之后仍然可以進(jìn)行均衡，對我們現在的均衡體系能夠非常好的升級，實(shí)現全天候的升級。我們現在電壓的均衡方法是非常不滿(mǎn)足功能安全的，因為只能在充電的時(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)間內能夠把電池均衡過(guò)來(lái)，我們現在很多電池管理系統都在宣稱(chēng)5安或者10安、20安的均衡電流，對于汽車(chē)電子的功能安全來(lái)說(shuō)是非?？膳碌氖虑?，一旦失效造成的后果是不堪設想的。
全天候均衡是什么意思，我的系統在不帶電和斷電的情況下，只要估算出我的均衡量之后，在集成芯片當中均衡的模塊會(huì )根據你的需要去進(jìn)行均衡，并且在均衡的結果滿(mǎn)足BMS的均衡結果要求或者發(fā)生故障的時(shí)候，把主MCU給喚醒，同時(shí)對整個(gè)電池進(jìn)行其他的處理。就是說(shuō)我均衡時(shí)間可以是24小時(shí)，相比比如說(shuō)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)現比如說(shuō)4安培、5安培的均衡效果。
功能安全，也是對整個(gè)電壓監測十分必要的發(fā)展趨勢，未來(lái)我們所有單體電壓的監控都必須采用功能安全的結構，比如右邊的這個(gè)英飛凌的架構，一個(gè)通道設計了獨立的ADC，同時(shí)還設立了一個(gè)備份的ADC，這是滿(mǎn)足功能安全的要求。
總結一下，CANFD的技術(shù)未來(lái)在CAN總線(xiàn)拓補架構上有很大的應用前景，對于菊花鏈的架構比較適合于乘用車(chē)，但是要關(guān)注電磁兼容性，以及長(cháng)期通信帶來(lái)的電池不均衡的現象。
基于模型開(kāi)發(fā)軟件方面，我們主要要解決的問(wèn)題是，電池管理系統的算法復雜度高，客戶(hù)變化需求多，怎么開(kāi)發(fā)出可靠的電池管理系統軟件，保證程序和算法的穩定性、可靠性，避免嚴重的安全事故。這塊我們主要通過(guò)基于模型的開(kāi)發(fā)流程，就是我們汽車(chē)電子經(jīng)常提到的V流程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其實(shí)就是從系統分析開(kāi)始再到軟件架構的設計，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)階段對應的測試標準方法、標準流程，通過(guò)應用這個(gè)標準的汽車(chē)電子軟件的一些工具，比如我們經(jīng)常用的一系列標準工具，對整個(gè)系統進(jìn)行全面的驗證，才能滿(mǎn)足汽車(chē)電子軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)驗證的平臺，像軟件層次的架構，也都全部進(jìn)行標準化。在測試方面，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(mǎn)足電池管理系統軟件可靠性開(kāi)發(fā)的要求?？梢越柚恍┑谌降墓ぞ邅?lái)實(shí)現，比如說(shuō)像TPT德國的標準流程軟件，可以很好的輔助我們建立起在電池管理系統方面開(kāi)發(fā)一些流程，所謂的測試和引導、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計，才能進(jìn)行全面的測試。比如說(shuō)這是電池管理系統的全面測試，包括了比較復雜的電池模型，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，相當于給BMS創(chuàng )造了全面的仿真環(huán)境來(lái)做全面的測試，一般來(lái)說(shuō)，我們要完成一個(gè)BMS全面的測試要進(jìn)行3000—5000左右的測試案例，才能夠保證軟件的一個(gè)完整性?，F在像國內應該也有很好的解決方案。
小結一下，基于模型的開(kāi)發(fā)和驗證流程才能保證算法和程序的穩定和正確性。
最后總結，先進(jìn)傳感器的技術(shù)，會(huì )推動(dòng)電池管理系統，推動(dòng)測量方面的技術(shù)進(jìn)步，尤其是熱失控、高壓安全監控等方面。隨著(zhù)電池管理系統復雜性增加，采用LockStep的多核處理器是必然趨勢。CANFD和菊花鏈的技術(shù)將在電池管理系統上有很好的應用前景。遵循電池汽車(chē)標準進(jìn)行模型的開(kāi)發(fā)，是保證電池管理系統程序與算法穩定性和正確性的有效方法。這些先進(jìn)的電池系統系統中的應用會(huì )有效提升電池管理的功能安全性、算法先進(jìn)性和系統可靠性。
我的分享大概是這些。謝謝大家！
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