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【DEMO】电池管理系统参考设计

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Yude 发布时间:2021-4-15 21:03
电池管理系统 (Battery Management System,BMS)能实时监控动力电池系统状态,通过采集电压、电流、温度及 HVIL、Emergency 等模拟数字信号,实时估算电池当前实际能力及状态,并通过 CAN 报文上报给整车控制器。当电池或整车处于极限或紧急情况时,能及时响应整车控制器指令,控制继电器断开。同时电池作为储能装置,可根据自身能力进行充放电控制,包括交流&直流充电控制。并能合理控制均衡策略,保证电池压差在合理范围,延长电池使用寿命。

意法半导体(以下简称为ST)与大湾区集成电路与系统应用研究院(以下简称为GIICS)在BMS开发和应用领域已服务于多家客户。以分布式架构为例介绍BMS产品级解决方案,BMS由BCU(Battery Control Unit电池主控控单元)和BMU(Battery monitor Unit,电池从控单元)构成。BCU用来监控整包的总压和总电流状态,控制高压继电器的开合,以及采集整车相关信号,完成电池相关数据(SOC,SOP等)的评估。从控BMU用来采集各电芯电压,执行电芯的均衡功能。BCU和BMU之间使用CAN或菊花链方式通信。

BCU-BMU.jpg


BCU详细参数

系统架构

BCU的系统架构如下图所示:

BCU.jpg


BCU检测功能包含但不限于:
  • 高压采集
  • 总电流采集
  • 绝缘检测
  • 低压供电
  • 唤醒
  • 高低边驱动开关
  • 通信
  • 温度检测
  • 支持多种信号检测与控制
  • 附加服务:可根据客户企标开发


核心IC



单片机MCU SPC58NN:

  • 三核@200MHz(两对锁步核)满足ISO26262功能安全系统的需求
  • GTM344满足FOC控制需求
  • SARDADC支持高精度高速采样,满足电流,电压,温度模拟量采样的需求
  • SDADC支持差分采样,满足旋转变压器软件解码功能的需求
  • Flash 6MB,满足整车OTA功能需求
  • 可配置的功能安全模块(Lockstep, ECC, CMU, FCCU, MEMU, LBIST, MBIST…)节省了开发safety lib的时间和金钱
  • 8路 SPI,8个CANFD,1路100MB以太网

SBC L9396:
  • 电源管理:1路boost,1路buck,1路LDO 5V,1路LDO可配置5V/3.3V,1路Vcore 供电,2路对板外供电线性稳压器
  • 问答式看门狗
  • PWM看门狗配合SPC58NN的FCCU out
  • Fail Safe Negative 输出功能
  • Fault Out 输出功能
  • 可配置故障状态下的Reset输出功能
  • Fail Safe 驱动
  • 故障诊断寄存器
  • 支持ASIL D应用




BMU系统架构



根据与BCU之间的通信方式的不同,BMU系统架构分为CAN通信和菊花链通信两种。CAN通信的系统架构如下:



可裁剪其中的低压接单元,实现菊花链通信的BMU。简化之后的BMU系统架构如下:



BMU关键参数

以ST的AFE前端采集芯片L9963E为核心,搭建BMU解决方案,BMU具备如下特点:
  • 单体电压检测:采样精度±2.6mV,每个AFE最大采集串数14S
  • 温度检测:NTC温度直接由AFE采集,提升可靠性,16bit的ADC采样分辨率,保证温度采样的精度;每AFE支持7个温度检测点
  • 通讯:支持双向回环菊花链通讯,通讯速率最高2.66M,支持CRC校验,保证通信的有效性,提升鲁棒性
  • 在线均衡:采用电阻耗能式均衡,最大均衡电流200mA,奇偶通道可同时开启均衡,提升了均衡效率。
  • 诊断:支持采样线断线诊/均衡故障诊断/通信诊断等硬件
接口安全可靠设计:支持热插拔/浪涌/ESD;接插件防呆设计,通过物理防呆,避免线束接错;接插件阻燃等级为UL94V-0(Male & Female),避免BMU出现火灾。
BMU.png

已经过的测试项,除了精度测试已验证外,从控已完成EMC测试和高低温测试:

热测试截图:

热测试截图.png


热测试截图:-2.png

EMC第三方测试报告截图
EMC第三方测试报告截图.png




BMS+PDCU动力域控制器简介


传统的动力域控制器的开发模式为大三电,即VCU,BMS,MCU。但随着整车开发的成本要求越来越严苛,动力域控制器的概念被日益推广。

在产品实际开发过程中,考虑到VCU和BMS之间有较多相似的功能,可将BMS和VCU的低压部分合并,使用一个控制器实现VCU+BMS的功能,框图如下:



框图中将VCU和BMS的低压部分结合,形成新的组合架构,即动力域控制器(PDCU)+高压采集板(HCU)+电芯采集板(CMU),PDCU集成了VCU的全部功能(整车管理)和BMS的核心功能(状态管理+Sox的计算),HCU专注于高压单元的采集,高压继电器的控制及电芯数据的转发。CMU专注于电芯数据的采集。相比于传统的大三电架构,域控制器的架构优势在于:
  • 成本优势:包括物料成本和人力成本。预控架构简化了设计,物料成本得到大幅降低,同时由于功能合并,软件开发和维护的工作也得到优化;
  • 效率提升:使用高性能的单片机进行逻辑和数据处理,软件执行效率提升,动力域的可靠和稳定性得到提升;

基于上述对BMS及动力域控制器的介绍,GIICS可根据合作模式为客户提供如下交付物:

系统软硬件设计
  • 系统架构
  • 需求分析
  • 硬件原理图
  • PCB, BOM
  • Autosar底层软件
  • Autosar复杂驱动
  • MCAL等

除此之外,ST与GIICS还可为客户提供灵活的可定制化的BMS等控制器,请联系ST NEV应用第三方合作伙伴GIICS技术经理:
卢经理:lumiao@giics.com.cn
BCU.jpg
BMU.jpg
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