基于ST L9963的電動(dòng)汽車(chē)電池管理(BMS)系統(tǒng)方案

在全球一陣新能源載具發(fā)展的當(dāng)下，鋰電池電動(dòng)車(chē)成為目前最主流的發(fā)展方向，在鋰電池電動(dòng)車(chē)技術(shù)當(dāng)中，除了如何有效地提升馬達(dá)功率與效率以外，電池的能源管理是相當(dāng)重要的一環(huán)

汽車(chē)電池管理系統(tǒng)（BMS）必須能夠滿(mǎn)足關(guān)鍵功能，例如電壓，溫度和電流監(jiān)控，電池充電狀態(tài)（SoC）以及鋰離子（Li-ion）電池的電池平衡。

實(shí)際上，電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的主要功能是：

電池保護(hù)，以防止在其安全操作區(qū)域之外進(jìn)行操作。通過(guò)估計(jì)充電和放電期間的電池組充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）來(lái)監(jiān)視電池。電池優(yōu)化可通過(guò)電池平衡來(lái)延長(zhǎng)電池壽命和容量，從而優(yōu)化混合動(dòng)力（HEV），插電式（PHEV）和全電動(dòng)汽車(chē)（BEV）的行駛里程。

適用于您的汽車(chē)BMS設(shè)計(jì)的新型高度集成的解決方案，意法半導(dǎo)體針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)解決方案專(zhuān)為滿(mǎn)足所有這些苛刻的設(shè)計(jì)要求而設(shè)計(jì)。基于新的高度集成的電池管理IC L9963及其配套的隔離式收發(fā)器L9963T，我們的解決方案能夠以單菊輪鏈或雙向菊輪鏈配置提供多達(dá)14個(gè)串聯(lián)電池的最高精度測(cè)量，并嵌入復(fù)雜的電池 監(jiān)視和診斷功能。 它還符合嚴(yán)格的汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）D要求。

EVAL-L9963-MCU是用于電池管理應(yīng)用汽車(chē)芯片L9963的硬件工具。 它可用于開(kāi)發(fā)48 V電池管理系統(tǒng)（BMS）或作為分布式BMS的下級(jí)（取決于總電池電壓。由于EVAL-L9963-NDS而可增加其他級(jí)）。

EVAL-L9963-MCU允許用戶(hù)連接多達(dá)14個(gè)通道用于電池電壓感測(cè)，一個(gè)通道用于電流感測(cè)以及多達(dá)4個(gè)模擬輸入用于溫度感測(cè)（以及額外的板載NTC來(lái)感測(cè)PCB溫度）。 該板為板載微控制器提供了預(yù)加載的GUI固件，旨在與STSW-L9963 PC圖形用戶(hù)界面一起使用。

同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值以數(shù)位訊號(hào)方式輸出，較過(guò)往還需要經(jīng)過(guò)一段類(lèi)比轉(zhuǎn)數(shù)位訊號(hào)的模式，能改善電池同步問(wèn)題，并且能夠管理最多 7 個(gè)外部溫度感測(cè)器，嚴(yán)密管控電池溫度避免過(guò)熱。

L9963是用于高可靠性汽車(chē)應(yīng)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池監(jiān)視和保護(hù)芯片。最多可以監(jiān)視14個(gè)堆疊的電池，以滿(mǎn)足48 V和更高電壓系統(tǒng)的要求。每個(gè)電池電壓以及芯片上庫(kù)侖計(jì)數(shù)的電流都可以高精度測(cè)量。該設(shè)備最多可以監(jiān)視7個(gè)NTC。信息通過(guò)SPI通信或隔離接口傳輸。

多個(gè)L9963可以菊花鏈daisy chain形式連接，并通過(guò)變壓器隔離的接口與一個(gè)主機(jī)處理器通信，具有高速，低EMI，遠(yuǎn)距離和可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。在正常和低功耗模式下均提供帶有可編程通道選擇?？梢愿鶕?jù)內(nèi)部計(jì)時(shí)器中斷自動(dòng)終止平衡。集成了九個(gè)GPIO，用于外部監(jiān)視和控制。 L9963具有一套全面的故障檢測(cè)和通知功能，可以滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL-D ，內(nèi)建車(chē)用安全性之綜合故障偵測(cè)與通知功能，還具備 SPI 界面與能夠建立多個(gè) L9963 高速通訊用的 2.66Mbps 垂直通訊界面，此 21.66Mbps 垂直通訊界面能使 8 顆芯片對(duì)高達(dá) 96 個(gè)電池元件進(jìn)行訊號(hào)轉(zhuǎn)換與讀取，且操作時(shí)間低于 4ms ，并可結(jié)合各類(lèi)變壓器或電容性電隔離組合。

 L9963 的設(shè)計(jì)允許熱插拔操作，這也意謂可省卻外接用于保護(hù)電池管理系統(tǒng)的齊納二極體，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)由于不允許熱插拔，使得電池不可關(guān)機(jī)，故須搭配齊納二極體進(jìn)行保護(hù)，這也意味著 L9963 能減少使用這類(lèi)二極體的成本。

L9963 主要特色如下:

· 符合AEC-Q100

· 串聯(lián)測(cè)量4至14個(gè)電池，采樣之間的同步延遲為0 us。還支持母線(xiàn)連接，而不會(huì)改變電池的結(jié)果

· 庫(kù)侖計(jì)數(shù)器在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)都支持電池組過(guò)電流檢測(cè)。完全同步的電流和電壓樣本

· 16位電壓測(cè)量，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，在[1.7 – 4.7] V范圍內(nèi)的最大誤差為±2 mV

· 具有再生緩沖區(qū)的2.66 Mbps隔離串行通信，支持雙訪問(wèn)環(huán)。鏈中第一個(gè)和第15個(gè)器件開(kāi)始轉(zhuǎn)換之間的延遲小于2 μs。少于4 ms，即可在使用8個(gè)L9963的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換和讀取96個(gè)單元。支持基于變壓器和電容的隔離

· 在正常和靜音平衡模式下，每個(gè)電池的無(wú)源內(nèi)部平衡電流為200 mA?？梢詧?zhí)行循環(huán)喚醒測(cè)量。手動(dòng)/定時(shí)平衡，同時(shí)在多個(gè)通道上；內(nèi)部/外部平衡

· 完全精簡(jiǎn)的電池測(cè)量路徑，帶有ADC交換功能，可增強(qiáng)安全性和簡(jiǎn)化

· 提供自動(dòng)故障驗(yàn)證的智能診斷程序。通過(guò)SPI全局狀態(tài)字（GSW）和專(zhuān)用故障線(xiàn)進(jìn)行故障通知

· 兩個(gè)5 V穩(wěn)壓器支持具有25 mA（VCOM）和50 mA（VTREF）電流能力的外部負(fù)載連接

· 9個(gè)GPIO，最多7個(gè)模擬輸入用于NTC檢測(cè)

· 強(qiáng)大的熱插拔性能。無(wú)需與每個(gè)單元并聯(lián)的齊納二極管

· 完全符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，ASIL-D系統(tǒng)就緒

· TQFP64EP封裝

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL-D ，內(nèi)建車(chē)用安全性之綜合故障偵測(cè)與通知功能，還具備 SPI 界面與能夠建立多個(gè) L9963 高速通訊用的 2.66Mbps 垂直通訊界面，此 21.66Mbps 垂直通訊界面能使 8 顆芯片對(duì)高達(dá) 96 個(gè)電池元件進(jìn)行訊號(hào)轉(zhuǎn)換與讀取，且操作時(shí)間低于 4ms ，并可結(jié)合各類(lèi)變壓器或電容性電隔離組合。

另外， L9963 的設(shè)計(jì)允許熱插拔操作，這也意謂可省卻外接用于保護(hù)電池管理系統(tǒng)的齊納二極體，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)由于不允許熱插拔，使得電池不可關(guān)機(jī)，故須搭配齊納二極體進(jìn)行保護(hù)，這也意味著 L9963 能減少使用這類(lèi)二極體的成本。
上面搭配的符合車(chē)規(guī)的 32 bit MCU SPC574Sx是基于Power Architecture嵌入式類(lèi)別構(gòu)建的下一代微控制器系列。

SPC574Sx系列32位微控制器是集成汽車(chē)應(yīng)用控制器中的最新成果。 它屬于以汽車(chē)為中心的擴(kuò)展產(chǎn)品家族，旨在解決汽車(chē)內(nèi)下一輪底盤(pán)和安全電子應(yīng)用的浪潮。 該汽車(chē)控制器系列的先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)高效的主處理器內(nèi)核符合Power Architecture嵌入式類(lèi)別，并且僅實(shí)現(xiàn)了VLE（可變長(zhǎng)度編碼）APU，從而提高了代碼密度。 它以高達(dá)140 MHz的速度運(yùn)行，并提供針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化的高性能處理。 它利用了當(dāng)前Power Architecture設(shè)備的可用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu)，并由軟件驅(qū)動(dòng)程序，操作系統(tǒng)和配置代碼支持，以協(xié)助用戶(hù)實(shí)施。

主要功能如下

· 符合AEC-Q100

· 高性能e200z4d雙核

· 32位Power Architecture技術(shù)的CPU

· 核心頻率高達(dá)140 MHz

· 雙發(fā)行5級(jí)管道有序執(zhí)行核心

· 可變長(zhǎng)度編碼（VLE）

· 核心MPU

· 浮點(diǎn)，端到端糾錯(cuò)

· 8 KB指令緩存，帶有錯(cuò)誤檢測(cè)代碼

· 32 KB本地?cái)?shù)據(jù)RAM和4 KB數(shù)據(jù)高速緩存以及8 KB指令高速緩存

· 1600 KB（1.5 MB代碼+ 64 KB數(shù)據(jù)）片上閃存：支持在編程和擦除操作期間進(jìn)行讀取，以及多個(gè)模塊，允許EEPROM仿真

· 128 KB片內(nèi)RAM（96 KB片內(nèi)RAM + 32 KB本地?cái)?shù)據(jù)RAM）

· 具有32個(gè)通道的多通道直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（eDMA）

· 全面的新一代ASILD安全概念

· ASILD SEooC方法（安全元素脫離上下文）

· FCCU用于收集和響應(yīng)故障通知

· 內(nèi)存錯(cuò)誤管理單元（MEMU），用于收集和報(bào)告內(nèi)存中的錯(cuò)誤事件

· 端到端糾錯(cuò)碼（e2eECC）邏輯

· 循環(huán)冗馀校驗(yàn)（CRC）單元

· 8個(gè)增強(qiáng)型12位SAR模擬轉(zhuǎn)換器

· 2組：3個(gè)ADC和一個(gè)主管ADC

· 在12 MHz下1.5 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間

· 多達(dá)32個(gè)物理通道

· 雙可編程CTU

· 4個(gè)通用eTimer單元（每個(gè)6通道）

· 4個(gè)FlexPWM單元

· 2個(gè)（每個(gè)4個(gè)通道）用于電機(jī)控制，控制系統(tǒng)之間進(jìn)行硬件同步

· 2個(gè)（每個(gè)2個(gè)通道）用于SWG仿真

· 通訊接口

· 4個(gè)LINFlexD模塊

· 4個(gè)串行串行外圍設(shè)備接口（DSPI）模塊

· 2個(gè)具有高級(jí)共享內(nèi)存方案的MCAN接口（對(duì)于MCAN0為808 x 32位字，對(duì)于MCAN1為520 x 32位字）和CAN-FD支持

· 1個(gè)具有2個(gè)通道，128個(gè)消息緩沖區(qū)的FlexRay模塊

· 2個(gè)SENT接口（每個(gè)3個(gè)通道）

· 雙鎖相環(huán)，外設(shè)具有穩(wěn)定的時(shí)鐘域，計(jì)算外殼具有FM調(diào)制域

· Nexus Class 3調(diào)試和跟蹤界面

· 帶有BAF的片上CAN / UART引導(dǎo)程序加載器。物理接口（PHY）可以是UART

· 先進(jìn)而靈活的供應(yīng)方案

· 片上穩(wěn)壓器，用于1.2 V內(nèi)核邏輯電源。支持旁路模式，用于外部1.2 V內(nèi)核邏輯電源

· 3.3 V或5 V IO和ADC電源（提供2個(gè)獨(dú)立的電源域）

· 結(jié)溫范圍-40°C至150°C
方案已提供一個(gè)圖形用戶(hù)界面（GUI）可以MCU內(nèi)建的程式溝通做方便快速的電池調(diào)校!主要功能有

· 可調(diào)校L9963最多15個(gè)節(jié)點(diǎn)

· 完全同步的電流和電壓電池測(cè)量

· 有庫(kù)侖計(jì)數(shù)器

· 允許控制所有L9963功能，例如平衡和溫度測(cè)量

· L9963配置的高級(jí)功能

· 完整的診斷監(jiān)控

· L9963的內(nèi)部寄存器控制

· 數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)導(dǎo)出

如要做更深入的MCU程式編輯 

開(kāi)發(fā)環(huán)境也是功能強(qiáng)大又齊全

以軟體商Siener 為例的的開(kāi)發(fā)功能界面如下圖

? 場(chǎng)景應(yīng)用圖

? 產(chǎn)品實(shí)體圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

@符合AEC-Q100 @沒(méi)有同步延遲為0 us

@先進(jìn)的診斷功能還允許在充電和放電操作期間監(jiān)視系統(tǒng)的健康狀態(tài)（SoH）。

@使用8個(gè)L9963的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換和讀取96個(gè)單元少于4 ms。

@基于變壓器和電容的隔離

@可以執(zhí)行循環(huán)喚醒測(cè)量。手動(dòng)/定時(shí)平衡，帶有ADC交換功能，可增強(qiáng)安全性和簡(jiǎn)化的功能

@提供自動(dòng)故障驗(yàn)證的智能診斷程序。

@兩個(gè)5 V穩(wěn)壓器，支持具有25 mA（VCOM）和50 mA（VTREF）電流能力的外部負(fù)載連接

@最多7個(gè)輸入用于NTC檢測(cè)

@熱插拔性能。無(wú)需與每個(gè)單元并聯(lián)的齊納二極管 @完全符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，ASIL-D系統(tǒng)就緒

? 方案規(guī)格

? 用于軟體開(kāi)發(fā)的外部MCU的引腳連接器

? 串聯(lián)測(cè)量4至14個(gè)電池，失步延遲為0 us, 支持busbar連接，不會(huì)改變電池結(jié)果!

? 點(diǎn)火開(kāi), 關(guān)都以庫(kù)侖計(jì)數(shù)器(Coulomb counter)方式的電池組過(guò)電流檢測(cè)

? 完全同步的電流和電壓

? 16位電壓測(cè)量

? 具有再生緩沖區(qū)的2.66 Mbps隔離串行通信，支援 雙接入環(huán)(dual access ring), 鏈中第一個(gè)和第15個(gè)器件開(kāi)始轉(zhuǎn)換之間的延遲小于2 μs。

? 基于變壓器的隔離

? 多達(dá)4個(gè)用于NTC熱敏電阻感測(cè)輸入，以及PCB溫度感測(cè)

? 板載L9001穩(wěn)壓器電源

? 16位電壓測(cè)量，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，在[1.7 – 4.7] V范圍內(nèi)的最大誤差為±2 mV

? 在正常和靜音平衡模式下，每個(gè)電池的無(wú)源內(nèi)部平衡電流為200 mA