電池管理系統(tǒng)（即BMS）主要是哪三大核心功能？就電池管理系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的需求進(jìn)行分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-20 16:19
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隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，以及政府的政策鼓勵(lì)與扶持，電動(dòng)汽車（混動(dòng)＋純電動(dòng)）以每年超過50％的速度高速增長，電池以及電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心組件，其市場需求也獲得相應(yīng)的快速增長。本文將就電池管理系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的需求進(jìn)行分析
續(xù)航里程是我們關(guān)注電動(dòng)汽車的關(guān)鍵衡量指標(biāo)之一。續(xù)航里程越長，電動(dòng)汽車也就更實(shí)用。傳統(tǒng)上，由于電池組體積較大，續(xù)航里程較長，而汽車成本更高;但如今每千瓦時(shí)成本的下降意味著，配備大電池組的新車與配備小電池組的舊車成本相同。汽車買家必須知道電動(dòng)汽車是否有足夠的續(xù)航里程到達(dá)他們的辦公室、購物中心，或者城市周邊地區(qū)的親戚家。換句話說，我們需要一個(gè)可靠的電動(dòng)汽車行駛里程估算，同樣，我們需要了解是在什么樣的標(biāo)準(zhǔn)下估算的，從而可以得知哪些電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程有“水分”。
關(guān)于電動(dòng)汽車的里程范圍，說得比較多的有WLTP工況，美國EPA工況，歐盟NEDC工況，日本JC08工況(影響汽車?yán)m(xù)航里程的因素有很多，例如電池的使用狀況、交通路況與氣候、駕駛習(xí)慣以及是否開空調(diào)等，這些因素專業(yè)術(shù)語稱之為“工況”)。WLTP為全球統(tǒng)一輕型汽車測試規(guī)程，由WLTC循環(huán)和測試規(guī)程兩大部分組成，WLTC測試循環(huán)分為低速、中速、高速與超高速四部分;EPA是全球最嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)，所測試的項(xiàng)目、內(nèi)容強(qiáng)度和細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)之多;針對(duì)純電續(xù)航里程測試，NEDC與EPA的續(xù)航測試結(jié)果差距在10-15%左右;JC08僅在日本地區(qū)，全球的主流測試標(biāo)準(zhǔn)以EPA和NEDC為主。目前國內(nèi)的工況標(biāo)準(zhǔn)基本上是參考NEDC標(biāo)準(zhǔn)制定。
電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，即BMS）主要實(shí)現(xiàn)三大核心功能：電池充放電狀態(tài)的預(yù)測和計(jì)算（即SOC）、單體電池的均衡管理，以及電池健康狀態(tài)日志記錄與診斷。
在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中，電池荷電狀態(tài)的預(yù)測和計(jì)算（即SOC）是其最重要的功能，因?yàn)橛辛司_的電池充電／放電狀態(tài)的預(yù)測／計(jì)算，才能進(jìn)行有效均衡管理。所以，SOC精準(zhǔn)度的要求是越高越好。
為了提高SOC的精準(zhǔn)度，除了要采集電池的電壓、電流參數(shù)，還需要提供諸如阻抗、溫度、環(huán)境溫度、充放電時(shí)間等多種參數(shù)。電池固有參數(shù)會(huì)通過數(shù)學(xué)建模的方式，建立軟件模型，而動(dòng)態(tài)參數(shù)則通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)傳輸至MCU單元存儲(chǔ)，然后MCU對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計(jì)算，從而得出精確的電池荷電狀態(tài)。
因此，SOC功能會(huì)將不同電池的模型存入存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器需具有低功耗、快速讀寫、接口簡單以及數(shù)據(jù)保持時(shí)間達(dá)到20年的要求；SOC功能需要采集卡不停地實(shí)時(shí)將采集的電池電壓／電流數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，假如一個(gè)MCU單元，對(duì)接10路單體電池的采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)卡一般會(huì)采用1MB的isoSPI總線進(jìn)行通信，即對(duì)于MCU單元的存儲(chǔ)器，接口速率要求高且?guī)缀趺棵胫卸家M(jìn)行一次數(shù)據(jù)寫操作；而電池的壽命要求至少是10年，假如一臺(tái)車運(yùn)行時(shí)間是8小時(shí)，那么MCU單元的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫操作在電池包生命周期內(nèi)的寫次數(shù)為1億5百萬次。
綜上分析可見，BMS里面的SOC功能非常關(guān)鍵，所以其對(duì)存儲(chǔ)器的性能與可靠性也是非常高：必須是非易失性的存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)至少要超過1．1億次，接口速率大于8MHz，低功耗且數(shù)據(jù)能夠可靠保存20年的時(shí)間，需要符合AECQ－100，未來需要通過功能安全認(rèn)證，至少具有ASILB等級(jí)。
目前主流的非易失性的存儲(chǔ)器有EEPROM、Flash以及F－RAM。EEPROM的接口有SPI接口，速率可以做到10Mhz，但是每次寫都有一個(gè)5ms寫等待時(shí)間，擦寫次數(shù)是1百萬次，功耗中等，有車規(guī)級(jí)器件，但是目前未做功能安全認(rèn)證，數(shù)據(jù)保持能力也可以做到20年。
Flash的讀寫速度較慢，每次寫操作都必須進(jìn)行擦寫，因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時(shí)間，擦寫次數(shù)也只能支持10萬次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1．1億次的要求，數(shù)據(jù)保持能力在10年到20年之間。
F－RAM是通過鐵電這種特殊材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其具有高可靠性，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年，完全隨機(jī)不需要寫等待的高讀寫效率，SPI接口速率最高可以支持到50Mhz或108MHzQSPI，并且具有非常低的功耗；由于其特殊的鐵電材質(zhì)，所以該類型存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)可以高達(dá)100億次。
F－RAM作為一款獨(dú)特的非易失性存儲(chǔ)器，無論在寫入速度、耐久性還是在功耗與可靠性方面，都是目前實(shí)現(xiàn)高可靠性BMS系統(tǒng)的最佳存儲(chǔ)器選擇。
美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司（CypressSemiconductorInc．）作為全球領(lǐng)先的F－RAM核心供應(yīng)商，提供非常齊全的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器F－RAM產(chǎn)品，容量由4Kb到8Mb，接口為I2C／SPI接口，具有幾乎無限次的讀寫次數(shù)（100億次讀寫周期），QSPI接口速率高達(dá)108Mhz，不需要寫等待時(shí)間，工作電流低至0．6mA，是能夠承受125度高溫的汽車級(jí)芯片解決方案，并且符合ASIL－B。
續(xù)航里程是我們關(guān)注電動(dòng)汽車的關(guān)鍵衡量指標(biāo)之一。續(xù)航里程越長，電動(dòng)汽車也就更實(shí)用。傳統(tǒng)上，由于電池組體積較大，續(xù)航里程較長，而汽車成本更高;但如今每千瓦時(shí)成本的下降意味著，配備大電池組的新車與配備小電池組的舊車成本相同。汽車買家必須知道電動(dòng)汽車是否有足夠的續(xù)航里程到達(dá)他們的辦公室、購物中心，或者城市周邊地區(qū)的親戚家。換句話說，我們需要一個(gè)可靠的電動(dòng)汽車行駛里程估算，同樣，我們需要了解是在什么樣的標(biāo)準(zhǔn)下估算的，從而可以得知哪些電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程有“水分”。
關(guān)于電動(dòng)汽車的里程范圍，說得比較多的有WLTP工況，美國EPA工況，歐盟NEDC工況，日本JC08工況(影響汽車?yán)m(xù)航里程的因素有很多，例如電池的使用狀況、交通路況與氣候、駕駛習(xí)慣以及是否開空調(diào)等，這些因素專業(yè)術(shù)語稱之為“工況”)。WLTP為全球統(tǒng)一輕型汽車測試規(guī)程，由WLTC循環(huán)和測試規(guī)程兩大部分組成，WLTC測試循環(huán)分為低速、中速、高速與超高速四部分;EPA是全球最嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)，所測試的項(xiàng)目、內(nèi)容強(qiáng)度和細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)之多;針對(duì)純電續(xù)航里程測試，NEDC與EPA的續(xù)航測試結(jié)果差距在10-15%左右;JC08僅在日本地區(qū)，全球的主流測試標(biāo)準(zhǔn)以EPA和NEDC為主。目前國內(nèi)的工況標(biāo)準(zhǔn)基本上是參考NEDC標(biāo)準(zhǔn)制定。
電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，即BMS）主要實(shí)現(xiàn)三大核心功能：電池充放電狀態(tài)的預(yù)測和計(jì)算（即SOC）、單體電池的均衡管理，以及電池健康狀態(tài)日志記錄與診斷。
在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中，電池荷電狀態(tài)的預(yù)測和計(jì)算（即SOC）是其最重要的功能，因?yàn)橛辛司_的電池充電／放電狀態(tài)的預(yù)測／計(jì)算，才能進(jìn)行有效均衡管理。所以，SOC精準(zhǔn)度的要求是越高越好。
為了提高SOC的精準(zhǔn)度，除了要采集電池的電壓、電流參數(shù)，還需要提供諸如阻抗、溫度、環(huán)境溫度、充放電時(shí)間等多種參數(shù)。電池固有參數(shù)會(huì)通過數(shù)學(xué)建模的方式，建立軟件模型，而動(dòng)態(tài)參數(shù)則通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)傳輸至MCU單元存儲(chǔ)，然后MCU對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計(jì)算，從而得出精確的電池荷電狀態(tài)。
因此，SOC功能會(huì)將不同電池的模型存入存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器需具有低功耗、快速讀寫、接口簡單以及數(shù)據(jù)保持時(shí)間達(dá)到20年的要求；SOC功能需要采集卡不停地實(shí)時(shí)將采集的電池電壓／電流數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，假如一個(gè)MCU單元，對(duì)接10路單體電池的采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)卡一般會(huì)采用1MB的isoSPI總線進(jìn)行通信，即對(duì)于MCU單元的存儲(chǔ)器，接口速率要求高且?guī)缀趺棵胫卸家M(jìn)行一次數(shù)據(jù)寫操作；而電池的壽命要求至少是10年，假如一臺(tái)車運(yùn)行時(shí)間是8小時(shí)，那么MCU單元的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫操作在電池包生命周期內(nèi)的寫次數(shù)為1億5百萬次。
綜上分析可見，BMS里面的SOC功能非常關(guān)鍵，所以其對(duì)存儲(chǔ)器的性能與可靠性也是非常高：必須是非易失性的存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)至少要超過1．1億次，接口速率大于8MHz，低功耗且數(shù)據(jù)能夠可靠保存20年的時(shí)間，需要符合AECQ－100，未來需要通過功能安全認(rèn)證，至少具有ASILB等級(jí)。
目前主流的非易失性的存儲(chǔ)器有EEPROM、Flash以及F－RAM。EEPROM的接口有SPI接口，速率可以做到10Mhz，但是每次寫都有一個(gè)5ms寫等待時(shí)間，擦寫次數(shù)是1百萬次，功耗中等，有車規(guī)級(jí)器件，但是目前未做功能安全認(rèn)證，數(shù)據(jù)保持能力也可以做到20年。
Flash的讀寫速度較慢，每次寫操作都必須進(jìn)行擦寫，因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時(shí)間，擦寫次數(shù)也只能支持10萬次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1．1億次的要求，數(shù)據(jù)保持能力在10年到20年之間。
F－RAM是通過鐵電這種特殊材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其具有高可靠性，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年，完全隨機(jī)不需要寫等待的高讀寫效率，SPI接口速率最高可以支持到50Mhz或108MHzQSPI，并且具有非常低的功耗；由于其特殊的鐵電材質(zhì)，所以該類型存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)可以高達(dá)100億次。
F－RAM作為一款獨(dú)特的非易失性存儲(chǔ)器，無論在寫入速度、耐久性還是在功耗與可靠性方面，都是目前實(shí)現(xiàn)高可靠性BMS系統(tǒng)的最佳存儲(chǔ)器選擇。
美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司（CypressSemiconductorInc．）作為全球領(lǐng)先的F－RAM核心供應(yīng)商，提供非常齊全的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器F－RAM產(chǎn)品，容量由4Kb到8Mb，接口為I2C／SPI接口，具有幾乎無限次的讀寫次數(shù)（100億次讀寫周期），QSPI接口速率高達(dá)108Mhz，不需要寫等待時(shí)間，工作電流低至0．6mA，是能夠承受125度高溫的汽車級(jí)芯片解決方案，并且符合ASIL－B。
