先進汽車電子技術在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢
圖為北京科易動力科技有限公司技術總監華劍鋒做會議演講
為了幫助企業客觀分析2016年動力電池行業運行情況，正確把握行業發展趨勢，加大動力及儲能電池的開發應用，由中國化學與物理電源行業協會和電池中國網聯合主辦，雙登集團股份有限公司、壹能（北京）網絡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用國際峰會、2016年第二屆中國電池行業智能制造研討會”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導、知名科研機構專家、新能源汽車動力電池產業鏈上中下游的企業家、投資機構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總監和博士華劍鋒做了題為《先進汽車電子技術在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢》的專題報告，以下是根據速記整理的內容，未經本人審核，僅供參考。
下面有請北京科易動力科技有限公司技術總監華劍鋒先生，他報告題目是“先進汽車電子技術在電池管理系統軟硬件平臺中的應用趨勢?！?/p>
華劍鋒：各位領導，各位專家，大家好！我是來自北京科易動力的華劍鋒，感謝協會、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方面開發的一些實踐和經驗。我分享的主題主要是在汽車電子的細分領域，希望能夠給各位行業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，我們在北京有研發中心，生產基地在蘇州，主要的產品就是給電動汽車提供動力電池系統，今年我們在BMS的PACK方面研發技術獲得了中國汽車工業技術發明一等獎。今天主要想和大家分享的主題是關于汽車電子在BMS方面的一些開發的應用。我們知道電池系統是整個動力系統里面的核心，是保障整個動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汽車相關，如果從汽車電子角度來看，電池管理系統是非常重要的汽車電子控制系統，電池管理系統的開發以及應用，勢必也必須要遵循汽車電子開發的一些規范和流程、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、穩定的電池管理系統。首先我們先簡單的介紹一下近期汽車電子技術的發展。
第一，傳感器的技術不斷進步，性能不斷提高，數量不斷增加。像一些先進的MEMS傳感器，在汽車上已經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，現在已經應用非常廣泛，隨著我們智能網聯汽車和無人駕駛的發展，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用。
第二，車用處理器進行不斷的升級，多核MCU成為發展的必然趨勢。主要因為汽車電子方面越來越復雜的底層驅動和上層算法的結合，使得我們必須在開發方面、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，新型的一些數據總線和通信技術，在汽車方面應用日益普及，包括我們提到的Flexray，車載以太網，以及CANFD一些新的總線技術，在汽車電子方面得到了廣泛的應用。
第四，先進軟件架構，基于模型來開發驗證體系，在汽車電子行業已經形成了十分成型的規范體系。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的軟件架構和安全體系是開發當中必不可少的環節。
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方面的應用。因為時間有限，關于傳感器的應用我們不在這兒講了，其實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展。
我們說說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，滿足功能安全的各項系統架構，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行開發的，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控，因此它的控制周期我們一般會控制在10毫秒以內。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，需要在一定時間內對實時的數據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據，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據共享。這個基礎上我們三個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團隊，能夠做到獨立建模、獨立下載、獨立調試。
在整個軟件的開發體系當中，我們是基于這個技術，實現了三個核的軟件開發上，都實現了一體的集成化，使得開發團隊上以及實際應用上都做到了獨立開發和聯合開發的兼容。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，做到了實時的聯合開發。這個詳細的內存管理方式這里不多提了，主要想強調一點，對于三個核的獨立開發模式，通過有效的內存管理機制，我們可以實現當其中的一個核失效的時候，另外一個核承擔這個核的工作內容，使得我們電池管理系統，硬件架構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，對我們關鍵的兩個計算核進行校驗的作用。
小結一下，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勢。
下面主要介紹一下總線的技術進展。我們知道這是最常見的電池管理的架構，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，CAN總線的方式是保持電池管理系統通訊穩定的選擇。但是如果隨著我們算法越來越復雜，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在的要求的，比如對一個商用車要求來說，假設一個150串的電池系統的話，傳遞所有的數據會使CAN總線的負載率達到60%，我們知道一般CAN總線負載率在30%以下才是穩定的系統。
在這里我們應用最新的CANFD技術，其實是CANFD技術是博世采用的一個標準，2015年的時候已經進入到新的ISO11898標準當中，其實就是在數據報文的時候，提高數據報文的頻率，使得同樣CAN報文的8個字節的數據能夠達到64個字節的數據，采用CANFD的通訊數據之后，使得負載率達到10%左右，能夠在10毫秒周期實時地獲得我們所有內網的數據。
另外一個比較流行的拓補結構，就是我們經常說的菊花鏈的結構，是基于現在新的芯片技術實現的，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省成本，我們可以節省一個CPU、節省一個電源，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，它通訊的數據是最多的。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形的菊花鏈，數據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已經使用，能實現BMS全部斷電之后仍然可以進行均衡，對我們現在的均衡體系能夠非常好的升級，實現全天候的升級。我們現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能夠把電池均衡過來，我們現在很多電池管理系統都在宣稱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常可怕的事情，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根據你的需要去進行均衡，并且在均衡的結果滿足BMS的均衡結果要求或者發生故障的時候，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，也是對整個電壓監測十分必要的發展趨勢，未來我們所有單體電壓的監控都必須采用功能安全的結構，比如右邊的這個英飛凌的架構，一個通道設計了獨立的ADC，同時還設立了一個備份的ADC，這是滿足功能安全的要求。
總結一下，CANFD的技術未來在CAN總線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，但是要關注電磁兼容性，以及長期通信帶來的電池不均衡的現象。
基于模型開發軟件方面，我們主要要解決的問題是，電池管理系統的算法復雜度高，客戶變化需求多，怎么開發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。這塊我們主要通過基于模型的開發流程，就是我們汽車電子經常提到的V流程，簡單來說，其實就是從系統分析開始再到軟件架構的設計，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的測試標準方法、標準流程，通過應用這個標準的汽車電子軟件的一些工具，比如我們經常用的一系列標準工具，對整個系統進行全面的驗證，才能滿足汽車電子軟件開發的要求。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，開發驗證的平臺，像軟件層次的架構，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，才能夠滿足電池管理系統軟件可靠性開發的要求?？梢越柚恍┑谌降墓ぞ邅韺崿F，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方面開發一些流程，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，才能進行全面的測試。比如說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創造了全面的仿真環境來做全面的測試，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?，F在像國內應該也有很好的解決方案。
小結一下，基于模型的開發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，先進傳感器的技術，會推動電池管理系統，推動測量方面的技術進步，尤其是熱失控、高壓安全監控等方面。隨著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和菊花鏈的技術將在電池管理系統上有很好的應用前景。遵循電池汽車標準進行模型的開發，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。這些先進的電池系統系統中的應用會有效提升電池管理的功能安全性、算法先進性和系統可靠性。
我的分享大概是這些。謝謝大家！
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