锂电池管理系统:优化功能性安全规范的新架构

日期:2015-01-19
 

作者:Manfred Brandl、GernotHehn,ams AG
 
如果欧洲政府能迈向另一个成功,未来几年内我们将看见更多混合动力车与纯电动车行驶于道路上。但既然目前汽车工业以锂离子作为电池化学物质的首选,锂电池监管系统(BMS)势必在将来迅速盛行。
在汽车工业领域中,许多新设计案件都有ISO26262功能安全标准的影身影;我们也可从ISO26262设计过程与制作文件看出技术人员对于汽车系统设计所作的努力。这些显然是锂电池管理系统(BMS)的应用案例:涵盖复杂的软件与先进处理器的设计,让汽车设备供货商希望能纳入比ISO26262协议更多的资源。
新的电池管理系统(BMS)架构不需要复杂的软件,且可使用简单的低端微控制器,同时还能改善电池监控性能。本文将阐述它的结构,以及如何使ISO26262协议应用处理程序更平稳。
 
功能性安全的需求
现今汽车设计系统对于功能性安全的考虑已逐渐超过原先对外观设计的注重,而且严谨的安全设计需要良好的故障检测功能,才能确保设计在可预见的使用情况中是安全的。以上都是促进功能性安全设计发展的因素。
在安全至上的系统中,协议负担会因为半导体制造商严谨的行为模式与硬件组件流程设计的文件制作而大大减轻。例如,奥地利微电子提供客户故障时间(FIT)、错误模式与安全功能等数据,记录在「失效模式影响与诊断分析数据」(FMEDAs)上并作为车用IC。
若需从监测系统中的锂电池读取重要电压读数,BMS必须在传感器与高端处理器间建置结构复杂的软件与高灵敏的通信链接。而且若要进一步证明它们符合ISO26262功能安全标准,这对BMS制造商而言会是很大的难题与挑战。
 
新的电池管理系统架构
BMS的基本功能是安全地管理电池、延长它的生命周期与缩短充电时间。以锂电池而言,BMS会持续提供充电状态(SOC)、健康状态(SOH)与电压的状态,以便:
·         决定充电或放电的程序
·         诊断潜在失误并执行因应措施以确保功能性安全
·         对驾驶员显示操控状态
化学电池的本质是利用可燃物质与氧气提供小容量的能源储蓄能力,所以锂电池比一般密封的铅蓄电池更无法容许物质滥用,特别是电池电压与电池温度必须根据规定严格控制,以避免电池损坏、失效与燃烧等会威胁到安全性的隐忧。
汽车锂电池系统是多个锂电池的组合。在奥地利微电子所研发的新结构中,BMS采用封装监控器与电池监控系统。封装监控器能测量电池整体的电压、温度与电流,是双信道传感器接口的应用;而AS8510包含的精密分流电阻与精密电池组电压衰减器,也是双通道传感器应用案例之一。
电池监控器能测量个别电池电压与特定区域温度。只要比较总电压与量测到的电池电压,它就可以确认BMS是否良好运作。好处在于它是由完全独立的测量系统来验证涵盖感测线至软件比较器的整个电池测量信号路径。与传统的架构相比,验证系统不仅来得更为全面,也让功能性安全协议符合独立的IC。
功能安全检测并不是这个架构的唯一优点。目前的传统结构依赖于在每个单元电池上获得非常精确的电压测量,从而能计算精确的SOC值。然而,这种方法与锂电池特性冲突:锂电池电压在放电20%~80%之间几乎没有变化,装置必须能测量到极微小的电压才能准确追踪SOC变化,但车用锂电池花费几乎所有时间在检测中间段SOC,由于电池必须保留顶部空间以吸收运转产生的再生能量,因此一般来说用户不会将电池完全充满。
想要达到极精密与精准的汽车电池电压量测试,从技术或成本角度来看是几乎行不通的。相较之下,以AS8510这样零偏移的设备进行分流器电流检测会更简单、精准,它加强了库伦积分方法,即使由相对不精准电压来计算,也能有精准与可靠的SOC评估。
 
过度复杂的软件
当监控电池电压时,目前惯用的方法是先依序测量每个电池电压,并尽可能地实时传送数据至主机控制器。控制器软件会将电压与电流读数转换成SOC、SOH与电池安全工作区分析等实用数据。
此方法主要的缺陷在于对复杂软件与高流量数据传输的需求。
·         BMS需要有良好处理能力的控制器才能负荷复杂的程序,但是价格相对比较昂贵。
·         复杂的安全系统软件设计与功能性安全验证会需要很长的研发时间与很高的成本。
·         传感器与主机间的电压读数传输时,系统必须克服噪音与隔间的干扰,同时管理高电压至低电压区域传送。隔离耦合器与外壳等的外部组件也会增加系统的成本与复杂度。
 
更简化的结构:区域电池监控
现已有汽车锂电池的全新管理技术可以应用,此技术采用可进行区域监控的新IC。电压测量有模拟功能,通过比较器将电池电压与参考电压作比较。
重要的是将电池电压同时进行比较,而非依次量测,这会提供更多可靠结果。在连续系统中,一个电压测量值与下一个之间的区间负载变化会造成不同电池间的电压。这样的电压差异容易误导管理者,因为没有复杂的应用软件与带时间标记的电压读数、电流测量配对,往往会有无效的BMS读数,进而为考虑到负载变化而进行电压读数补偿。以上为该软件扩展至现今BMS系统的开发与规范流程。
 

1:可键接的AS8506同时比较硬件电池电压,消除软件分别测量与比较所需的复杂补偿算法
 
奥地利微电子研发的IC运用了AS8506这个 (图一),电池电压可同时与整个电池链比较。而电池链则由32个各能支持7个电池的IC堆栈而成,总共有224颗电池。因为AS8506对电池同时非依次作比较,根据负载变化产生的结果而补偿,且不需另外的软件程序。这表示AS8506能支持的架构比现今普遍的设计更简单、但更准确。至于SOC 与 SOH 评估的部分,在传统BMS中整合了12位SAR架构ADC来测量绝对电池电压。每当需要SOC/SOH评估和诊断的时候,这些测量数据就会透过菊花链 (daisy chain) 低速传送到主机。所有需要实时完成的监控与平衡决策会在硬件上进行,直接由诊断标志作沟通,因此「快速」并非沟通渠道的必要需求。
AS8506能让各模块中的七颗电池电压比较误差范围缩至仅±1mV。如图二所示,集成的比较功能让AS8506能实现局部电池被动平衡。汽车制造商采用的高质量锂电池中,自放电电流或电流监控IC引出电流之间的微小差异会产生电池间的SOC不平衡,进而产生电压。这些微小的平衡电压差异可以由小于100Ma电流平衡放电纠正,并可程序设定此电压阀值上限,这开关的能力已集成在AS8506。
 

 
2AS85062.5Ah7颗磷酸铁锂电池组成模型的被动电池平衡应用结果。此图显示5号电池在放电循环中会故意放更多的电,模型如何充电并随后在3.22V之后平衡。
 
AS8506不需要与主机通讯就能达到电池平衡。AS8506极高的电压精准度让它能够平衡SOC中间的磷酸铁锂电池,而这七颗电池之间的电压差则微小到甚至能被忽略。
为了支持BMS,AS8506必须把它的绝对读数传给控制器,但是对系统设计师来说,由于该架构支持双向沟通,比较容易达到安全性功能目标。诊断信号有先后处理顺序:当电池电压在安全阀值,信号必须马上送至控制器以采取必要的反制措施。信号会透过专用CVT_NOK_OUT点传送,以警告微控制器有一个或多个工作电压范围外的电池电压。
为达到SOC与SOH监控的目的,每个电池电压读数通过替代链接传送,该替代链接为缓慢且高稳定的串型通信通道,并带有循环冗余检验(CRC),具有高度的抗干扰性。
如图三所示,电池监控与区域被动电池平衡的应用装置可被奥地利微电子的演示系统读取。系统的菊链通讯设计已经过电动车测试,连结四个AS8506并监控高达16颗电池。当逆变器与电动车运转高达100A的电流峰值时,之间的连结不会产生误码问题。
 

 

3:采用AS8506 IC37颗电池的独立被动平衡示范系统
 
结论
奥地利微电子研发的演示系统显示,锂电池监控与平衡若采用可提供同步电压比较与区域被动电池平衡的架构,整体应用会更简单、成本也能降低。这项设计采用AS8506,让汽车制造商免于成本过高的困扰,也能降低目前锂电池管理系统中以软件为基础的汽车监控与平衡的复杂度。
AS8506让汽车制造业者会从稳定、灵活的汽车电池管理解决方案受惠,物料成本以及绝对电压测量精准度的要求都较低。
奥地利微电子承认针对研发AS8506原型e3car ENIAC程序的支持。下一阶段,AS8506电池感测IC的研发,会由欧盟的Estrelia研发团队支持。
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