先進汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺中的應(yīng)用趨勢
圖為北京科易動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)華劍鋒做會議演講
為了幫助企業(yè)客觀分析2016年動力電池行業(yè)運行情況，正確把握行業(yè)發(fā)展趨勢，加大動力及儲能電池的開發(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年會暨2016年第一屆動力電池應(yīng)用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”于11月14日在北京拉開帷幕。本次年會聚集了來自政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)、知名科研機構(gòu)專家、新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的企業(yè)家、投資機構(gòu)代表以及媒體記者等500多人參會。
在本次會議上，北京科易動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)和博士華劍鋒做了題為《先進汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺中的應(yīng)用趨勢》的專題報告，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。
下面有請北京科易動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)華劍鋒先生，他報告題目是“先進汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)軟硬件平臺中的應(yīng)用趨勢。”
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力的華劍鋒，感謝協(xié)會、感謝秘書長給我們提供這么好的機會，能夠在這里跟大家分享一下我們在電池管理系統(tǒng)方面開發(fā)的一些實踐和經(jīng)驗。我分享的主題主要是在汽車電子的細分領(lǐng)域，希望能夠給各位行業(yè)的專家們提供一些信息。
首先，請允許我簡單解說一下我們公司，科易動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)品就是給電動汽車提供動力電池系統(tǒng)，今年我們在BMS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。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)是整個動力系統(tǒng)里面的核心，是保障整個動力電池系統(tǒng)安全和各項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，勢必也必須要遵循汽車電子開發(fā)的一些規(guī)范和流程、標準，才能夠很好的滿足我們在電動汽車上能夠有個可靠、安全、穩(wěn)定的電池管理系統(tǒng)。首先我們先簡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)不斷進步，性能不斷提高，數(shù)量不斷增加。像一些先進的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測量，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、激光雷達等等，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。主要因為汽車電子方面越來越復(fù)雜的底層驅(qū)動和上層算法的結(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，必須多個獨立的核進行工作，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，先進軟件架構(gòu)，基于模型來開發(fā)驗證體系，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)和驗證才能保證在整個軟件的可靠性，以及在滿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(gòu)和安全體系是開發(fā)當中必不可少的環(huán)節(jié)。
我想針對這四點展開一系列的報告，主要是在電池管理系統(tǒng)方面的應(yīng)用。因為時間有限，關(guān)于傳感器的應(yīng)用我們不在這兒講了，其實新型傳感器的電池管理系統(tǒng)應(yīng)用也非常廣泛，包括對熱失控的監(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，對提高我們電池管理安全性也有很多的進展。
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，我們電池管理系統(tǒng)平臺采用了五核的處理器，滿足功能安全的各項系統(tǒng)架構(gòu)，具備三個獨立的模型和兩個功能安全核，在功能安全方面做了全面設(shè)計。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，主要是要滿足整車廠的要求，對我們大部分的安全進行實施的監(jiān)控，因此它的控制周期我們一般會控制在10毫秒以內(nèi)。像動力性方面，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，需要在一定時間內(nèi)對實時的數(shù)據(jù)進行一些模型辨識的處理，最終得到一個精確的SOC、SOP、SOE的結(jié)果，對于SOH，以及對于我們均衡的一些算法來說，它的周期就更長了，因為它需要累計很長時間的歷史數(shù)據(jù)，在合適的時機對模型進行修正和辨識。這三塊都對我們的工作特性和計算帶來不同的要求，也就是簡單的來說，我們的幾個算法，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來的。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，有三個獨立的處理器，有兩個功能安全核，可以做到互相訪問和數(shù)據(jù)共享。這個基礎(chǔ)上我們?nèi)齻€算法是獨立的運行在三個核當中的，因此這三個核可以獨立的承擔(dān)我們每一個主要的運算的算法。同時，我們做到這三個核的開發(fā)團隊，能夠做到獨立建模、獨立下載、獨立調(diào)試。
在整個軟件的開發(fā)體系當中，我們是基于這個技術(shù)，實現(xiàn)了三個核的軟件開發(fā)上，都實現(xiàn)了一體的集成化，使得開發(fā)團隊上以及實際應(yīng)用上都做到了獨立開發(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這個團隊在我們研發(fā)中心不停的去研究，他可能半年才會更新一次，但是比如說對我們安全性的算法，可能我們每一個項目，甚至同一個項目不同車型，可能都有另外一波工程師不斷的進行更新，做到了實時的聯(lián)合開發(fā)。這個詳細的內(nèi)存管理方式這里不多提了，主要想強調(diào)一點，對于三個核的獨立開發(fā)模式，通過有效的內(nèi)存管理機制，我們可以實現(xiàn)當其中的一個核失效的時候，另外一個核承擔(dān)這個核的工作內(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標準要求。剛才說到了三個獨立的核，另外兩個核，主要是按照功能安全的要求，對我們關(guān)鍵的兩個計算核進行校驗的作用。
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，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的技術(shù)進展。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，比如對一個商用車要求來說，假設(shè)一個150串的電池系統(tǒng)的話，傳遞所有的數(shù)據(jù)會使CAN總線的負載率達到60%，我們知道一般CAN總線負載率在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)，其實是CANFD技術(shù)是博世采用的一個標準，2015年的時候已經(jīng)進入到新的ISO11898標準當中，其實就是在數(shù)據(jù)報文的時候，提高數(shù)據(jù)報文的頻率，使得同樣CAN報文的8個字節(jié)的數(shù)據(jù)能夠達到64個字節(jié)的數(shù)據(jù)，采用CANFD的通訊數(shù)據(jù)之后，使得負載率達到10%左右，能夠在10毫秒周期實時地獲得我們所有內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。
另外一個比較流行的拓補結(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)實現(xiàn)的，這樣菊花鏈的拓補其實比較適合乘用車，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，我們也進行了不少驗證，因此對于整個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就是節(jié)省成本，我們可以節(jié)省一個CPU、節(jié)省一個電源，但是使用菊花鏈的時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，會導(dǎo)致你最低的一個電池模塊造成電池不均衡的問題，因為所有的芯片供電都是從電池上來獲取的，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)一會兒從這個方向走、一會兒從那個方向走，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，能實現(xiàn)BMS全部斷電之后仍然可以進行均衡，對我們現(xiàn)在的均衡體系能夠非常好的升級，實現(xiàn)全天候的升級。我們現(xiàn)在電壓的均衡方法是非常不滿足功能安全的，因為只能在充電的時候甚至快充的時候才能進行均衡控制，所以為了在這么短的時間內(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，對于汽車電子的功能安全來說是非?？膳碌氖虑?，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，在集成芯片當中均衡的模塊會根據(jù)你的需要去進行均衡，并且在均衡的結(jié)果滿足BMS的均衡結(jié)果要求或者發(fā)生故障的時候，把主MCU給喚醒，同時對整個電池進行其他的處理。就是說我均衡時間可以是24小時，相比比如說我可能全天只有半個小時可以均衡的時候，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，就可以實現(xiàn)比如說4安培、5安培的均衡效果。
功能安全，也是對整個電壓監(jiān)測十分必要的發(fā)展趨勢，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)，比如右邊的這個英飛凌的架構(gòu)，一個通道設(shè)計了獨立的ADC，同時還設(shè)立了一個備份的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總線拓補架構(gòu)上有很大的應(yīng)用前景，對于菊花鏈的架構(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，簡單來說，其實就是從系統(tǒng)分析開始再到軟件架構(gòu)的設(shè)計，以及到軟件模塊以及自動代碼生成的時候，每個階段都必須有每個階段對應(yīng)的測試標準方法、標準流程，通過應(yīng)用這個標準的汽車電子軟件的一些工具，比如我們經(jīng)常用的一系列標準工具，對整個系統(tǒng)進行全面的驗證，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。
這個方面我們也建立了全面的電池管理算法，開發(fā)驗證的平臺，像軟件層次的架構(gòu)，也都全部進行標準化。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現(xiàn)，比如說像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(tǒng)方面開發(fā)一些流程，所謂的測試和引導(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，才能進行全面的測試。比如說這是電池管理系統(tǒng)的全面測試，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，相當于給BMS創(chuàng)造了全面的仿真環(huán)境來做全面的測試，一般來說，我們要完成一個BMS全面的測試要進行3000—5000左右的測試案例，才能夠保證軟件的一個完整性。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)，先進傳感器的技術(shù)，會推動電池管理系統(tǒng)，推動測量方面的技術(shù)進步，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。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。遵循電池汽車標準進行模型的開發(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。這些先進的電池系統(tǒng)系統(tǒng)中的應(yīng)用會有效提升電池管理的功能安全性、算法先進性和系統(tǒng)可靠性。
我的分享大概是這些。謝謝大家！
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