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先进汽车电子技术在电池管理系统软硬件平台中的应用趋势
2016-10-30 10:11:00

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图为北京科易动力科技有限公司技术总监华剑锋做会议演讲

为了帮助企业客观分析2016年动力电池行业运行情况,正确把握行业发展趋势,加大动力及储能电池的开发应用,由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网联合主办,双登集团股份有限公司、壹能(北京)网络科技有限公司共同承办的“2016年第五届中国电池市场年会暨2016年第一届动力电池应用国际峰会、2016年第二届中国电池行业智能制造研讨会”于11月14日在北京拉开帷幕。本次年会聚集了来自政府主管部门领导、知名科研机构专家、新能源汽车动力电池产业链上中下游的企业家、投资机构代表以及媒体记者等500多人参会。

  在本次会议上,北京科易动力科技有限公司技术总监和博士华剑锋做了题为《先进汽车电子技术在电池管理系统软硬件平台中的应用趋势》的专题报告,以下是根据速记整理的内容,未经本人审核,仅供参考。

  下面有请北京科易动力科技有限公司技术总监华剑锋先生,他报告题目是“先进汽车电子技术在电池管理系统软硬件平台中的应用趋势。”

  华剑锋:各位领导,各位专家,大家好!我是来自北京科易动力的华剑锋,感谢协会、感谢秘书长给我们提供这么好的机会,能够在这里跟大家分享一下我们在电池管理系统方面开发的一些实践和经验。我分享的主题主要是在汽车电子的细分领域,希望能够给各位行业的专家们提供一些信息。

  首先,请允许我简单解说一下我们公司,科易动力是一家独立的第三方的BMS的PACK企业,我们在北京有研发中心,生产基地在苏州,主要的产品就是给电动汽车提供动力电池系统,今年我们在BMS的PACK方面研发技术获得了中国汽车工业技术发明一等奖。今天主要想和大家分享的主题是关于汽车电子在BMS方面的一些开发的应用。我们知道电池系统是整个动力系统里面的核心,是保障整个动力电池系统安全和各项功能正常工作的重要的系统,但是今天分享的大部分主题都跟电动汽车相关,如果从汽车电子角度来看,电池管理系统是非常重要的汽车电子控制系统,电池管理系统的开发以及应用,势必也必须要遵循汽车电子开发的一些规范和流程、标准,才能够很好的满足我们在电动汽车上能够有个可靠、安全、稳定的电池管理系统。首先我们先简单的介绍一下近期汽车电子技术的发展。

  第一,传感器的技术不断进步,性能不断提高,数量不断增加。像一些先进的MEMS传感器,在汽车上已经得到了大规模的应用,包括像位置、角速度、加速度等等一些信号测量,现在已经应用非常广泛,随着我们智能网联汽车和无人驾驶的发展,像一些新型的汽车感知的传感器,包括像摄像头、毫米波雷达、激光雷达等等,也在汽车上面得到了广泛的应用。

  第二,车用处理器进行不断的升级,多核MCU成为发展的必然趋势。主要因为汽车电子方面越来越复杂的底层驱动和上层算法的结合,使得我们必须在开发方面、在功耗、速度、成本方面,以及我们现在提的最多的功能安全方面,都必须采用新的多核处理器,才能够达到我们现在的要求。我们可以看到最早的多核处理器上,采用了主CPU加上一些比较低级的处理器这样的架构,在最新的处理器架构上,必须多个独立的核进行工作,才能满足我们的要求。

  第三,新型的一些数据总线和通信技术,在汽车方面应用日益普及,包括我们提到的Flexray,车载以太网,以及CANFD一些新的总线技术,在汽车电子方面得到了广泛的应用。

广西快3APP下载  第四,先进软件架构,基于模型来开发验证体系,在汽车电子行业已经形成了十分成型的规范体系。我们大部分的汽车电子软件都是要基于模型的开发和验证才能保证在整个软件的可靠性,以及在满足功能安全方面的标准,达到我们的要求。此外,AUTOSAR的软件架构和安全体系是开发当中必不可少的环节。

  我想针对这四点展开一系列的报告,主要是在电池管理系统方面的应用。因为时间有限,关于传感器的应用我们不在这儿讲了,其实新型传感器的电池管理系统应用也非常广泛,包括对热失控的监控,一些化学成份的传感器,激光方面的传感器,包括像激光光纤的应用,对提高我们电池管理安全性也有很多的进展。

  我们说说多核处理器在电池管理中的应用。这是我们电池管理系统的平台,我们电池管理系统平台采用了五核的处理器,满足功能安全的各项系统架构,具备三个独立的模型和两个功能安全核,在功能安全方面做了全面设计。BMS的算法是非常复杂的,复杂的算法方面我们都是基于模型进行开发的,比如我们现在主要的三大算法,包括安全性的算法、耐久性的算法、动力性的算法,这块,每一块的算法对于我们要求都是不一样的,比如安全性的算法,主要是要满足整车厂的要求,对我们大部分的安全进行实施的监控,因此它的控制周期我们一般会控制在10毫秒以内。像动力性方面,主要是一些基于电池模型的回归和辨识算法,比如像SOC、SOE、SOP的一些估计,需要在一定时间内对实时的数据进行一些模型辨识的处理,最终得到一个精确的SOC、SOP、SOE的结果,对于SOH,以及对于我们均衡的一些算法来说,它的周期就更长了,因为它需要累计很长时间的历史数据,在合适的时机对模型进行修正和辨识。这三块都对我们的工作特性和计算带来不同的要求,也就是简单的来说,我们的几个算法,从我们的三大块算法来说,每一块的算法,从耐久性到安全性来说,它和项目的相关程度是逐渐提升的,但是对于算法的难度和保密性又是反过来的。因此基于我们的多核处理器的平台,主要用的是英飞凌的TC275的处理器,有三个独立的处理器,有两个功能安全核,可以做到互相访问和数据共享。这个基础上我们三个算法是独立的运行在三个核当中的,因此这三个核可以独立的承担我们每一个主要的运算的算法。同时,我们做到这三个核的开发团队,能够做到独立建模、独立下载、独立调试。

  在整个软件的开发体系当中,我们是基于这个技术,实现了三个核的软件开发上,都实现了一体的集成化,使得开发团队上以及实际应用上都做到了独立开发和联合开发的兼容。比如说我的核心算法,SOH的算法,可能由我们SOH这个团队在我们研发中心不停的去研究,他可能半年才会更新一次,但是比如说对我们安全性的算法,可能我们每一个项目,甚至同一个项目不同车型,可能都有另外一波工程师不断的进行更新,做到了实时的联合开发。这个详细的内存管理方式这里不多提了,主要想强调一点,对于三个核的独立开发模式,通过有效的内存管理机制,我们可以实现当其中的一个核失效的时候,另外一个核承担这个核的工作内容,使得我们电池管理系统,硬件架构上完全满足功能安全这么一个标准要求。刚才说到了三个独立的核,另外两个核,主要是按照功能安全的要求,对我们关键的两个计算核进行校验的作用。

  小结一下,满足功能安全要求,采用具有LockStep的多核处理器是必然的趋势,而且多核处理器有很多算法方面的优势。

  下面主要介绍一下总线的技术进展。我们知道这是最常见的电池管理的架构,这种CAN总线的拓补是比较适合于商用车的,比如说体积比较大的、分布距离比较远的电池管理系统,CAN总线的方式是保持电池管理系统通讯稳定的选择。但是如果随着我们算法越来越复杂,我们把控制周期逐渐的提高,比如说提高到10毫秒的时候,我们可以算一下,比如在这种情况下CAN总线的通行速率是不能满足我们现在的要求的,比如对一个商用车要求来说,假设一个150串的电池系统的话,传递所有的数据会使CAN总线的负载率达到60%,我们知道一般CAN总线负载率在30%以下才是稳定的系统。

  在这里我们应用最新的CANFD技术,其实是CANFD技术是博世采用的一个标准,2015年的时候已经进入到新的ISO11898标准当中,其实就是在数据报文的时候,提高数据报文的频率,使得同样CAN报文的8个字节的数据能够达到64个字节的数据,采用CANFD的通讯数据之后,使得负载率达到10%左右,能够在10毫秒周期实时地获得我们所有内网的数据。

  另外一个比较流行的拓补结构,就是我们经常说的菊花链的结构,是基于现在新的芯片技术实现的,这样菊花链的拓补其实比较适合乘用车,或者是集中式的BMS,总的来说电磁兼容性和CAN总线还是有一些差距,我们也进行了不少验证,因此对于整个电磁兼容性方面的考虑是比较重要的。我们看一些不同厂商的主流的菊花链的方案,比如说英飞凌等都有不同的解决方案,我们知道采用菊花链最大的目标就是节省成本,我们可以节省一个CPU、节省一个电源,但是使用菊花链的时候也使用一些隔离器件,比如隔离变压器、电容等等一些器件。实际上隔离变压器的成本和MCU已经差不多了。英飞凌采用这个电容的方案,可以得到很低的成本。

广西快3APP下载  菊花链在速度上是能够满足乘用车的要求的,但是由于菊花链通讯的问题,会导致你最低的一个电池模块造成电池不均衡的问题,因为所有的芯片供电都是从电池上来获取的,包括所有通讯的耗电,因此可以想象的就是,在最低的这个电池模块上,它通讯的数据是最多的。因此我们必须考虑这种长期带来电池不均衡的问题,所以一般情况下通过双向环形的菊花链,数据一会儿从这个方向走、一会儿从那个方向走,保证我们电池模块的均衡。使用菊花链最重要的问题要考虑电磁兼容性,最重要的要关注大电流注入的电磁兼容特性。

  在这里我们也想提一下,在这样一些单体电压测量的集成芯片上,一些低功耗休眠唤醒技术已经使用,能实现BMS全部断电之后仍然可以进行均衡,对我们现在的均衡体系能够非常好的升级,实现全天候的升级。我们现在电压的均衡方法是非常不满足功能安全的,因为只能在充电的时候甚至快充的时候才能进行均衡控制,所以为了在这么短的时间内能够把电池均衡过来,我们现在很多电池管理系统都在宣称5安或者10安、20安的均衡电流,对于汽车电子的功能安全来说是非常可怕的事情,一旦失效造成的后果是不堪设想的。

  全天候均衡是什么意思,我的系统在不带电和断电的情况下,只要估算出我的均衡量之后,在集成芯片当中均衡的模块会根据你的需要去进行均衡,并且在均衡的结果满足BMS的均衡结果要求或者发生故障的时候,把主MCU给唤醒,同时对整个电池进行其他的处理。就是说我均衡时间可以是24小时,相比比如说我可能全天只有半个小时可以均衡的时候,我的均衡电流只需要是之前的可能是1/20或者1/30,200毫安的均衡电流,就可以实现比如说4安培、5安培的均衡效果。

  功能安全,也是对整个电压监测十分必要的发展趋势,未来我们所有单体电压的监控都必须采用功能安全的结构,比如右边的这个英飞凌的架构,一个通道设计了独立的ADC,同时还设立了一个备份的ADC,这是满足功能安全的要求。

  总结一下,CANFD的技术未来在CAN总线拓补架构上有很大的应用前景,对于菊花链的架构比较适合于乘用车,但是要关注电磁兼容性,以及长期通信带来的电池不均衡的现象。

  基于模型开发软件方面,我们主要要解决的问题是,电池管理系统的算法复杂度高,客户变化需求多,怎么开发出可靠的电池管理系统软件,保证程序和算法的稳定性、可靠性,避免严重的安全事故。这块我们主要通过基于模型的开发流程,就是我们汽车电子经常提到的V流程,简单来说,其实就是从系统分析开始再到软件架构的设计,以及到软件模块以及自动代码生成的时候,每个阶段都必须有每个阶段对应的测试标准方法、标准流程,通过应用这个标准的汽车电子软件的一些工具,比如我们经常用的一系列标准工具,对整个系统进行全面的验证,才能满足汽车电子软件开发的要求。比如像Mathworks提供了全面的解决方案。

  这个方面我们也建立了全面的电池管理算法,开发验证的平台,像软件层次的架构,也都全部进行标准化。在测试方面,从代码生成、编译等等方面都必须形成全面的闭环,才能够满足电池管理系统软件可靠性开发的要求。可以借助一些第三方的工具来实现,比如说像TPT德国的标准流程软件,可以很好的辅助我们建立起在电池管理系统方面开发一些流程,所谓的测试和引导、方法论方面的辅助都十分的全面。

  硬件仿真方面,必须具备完整的硬件仿真设计,才能进行全面的测试。比如说这是电池管理系统的全面测试,包括了比较复杂的电池模型,以及电池单体的模拟器,电流模拟器、电压模拟器,以及绝缘温度的模拟器,相当于给BMS创造了全面的仿真环境来做全面的测试,一般来说,我们要完成一个BMS全面的测试要进行3000—5000左右的测试案例,才能够保证软件的一个完整性。现在像国内应该也有很好的解决方案。

  小结一下,基于模型的开发和验证流程才能保证算法和程序的稳定和正确性。

  最后总结,先进传感器的技术,会推动电池管理系统,推动测量方面的技术进步,尤其是热失控、高压安全监控等方面。随着电池管理系统复杂性增加,采用LockStep的多核处理器是必然趋势。CANFD和菊花链的技术将在电池管理系统上有很好的应用前景。遵循电池汽车标准进行模型的开发,是保证电池管理系统程序与算法稳定性和正确性的有效方法。这些先进的电池系统系统中的应用会有效提升电池管理的功能安全性、算法先进性和系统可靠性。

  我的分享大概是这些。谢谢大家!


作者: 华剑锋      稿件来源: 电池中国网
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