如何设计安全智能的电池管理系统

在消费者对安全性、便利性和个性化体验的期望不断提高的推动下，现代汽车正在经历以软件为中心的转型。就像智能手机重新定义了移动电话的角色和意义一样，软件定义车辆正在重新定义汽车的硬件架构，使驾驶员能够灵活选择他们想要的车辆功能。

随着车辆架构趋向于更集中化的处理和更智能化的系统，这些系统中的半导体技术也需要不断演进。您可以看到软件定义车辆对汽车内各种子系统的影响，包括向动力总成域控制架构和区域控制架构转变、设计更智能的系统以及减少 MCU 数量，所有这些都基于更智能的半导体技术。

本次为大家介绍的是《设计更安全、更智能、互联程度更高的电池管理系统》白皮书。本文将探讨哪些趋势正在改变混合动力电动汽车 (HEV)和电动汽车动力总成的结构，以及电池管理系统 (BMS) 中的技术正在如何转变以满足车辆更安全、更智能的需求。

内容概览

动力总成发展为域控制和区域控制

了解向域架构和区域架构转变的趋势，以及这种转变如何影响系统设计和半导体技术。

过去，当车辆设计中的传感器或执行器需要更高的智能化水平，进而需要更复杂的控制或通信时，设计人员会在设计中添加 MCU。但是，将不同车辆平台中各种选件的额外复杂性综合起来，会导致车辆系统描述很复杂，开发工作量增大，维护难度也更大。

为了帮助克服复杂性、重量和成本方面的挑战，人们提出了域控制架构和区域控制架构的概念。在域架构中，每个域将根据相关功能来集成某些电子控制单元 (ECU)。区域架构进一步发展了域控制的概念，根据车辆中的功能位置将功能分组为不同区域并由 MCU 进行控制。区域架构在减少 MCU 数量需求的同时，还能降低线束的复杂性和重量，从而进一步节省成本并延长行驶里程。

但是，一项技术挑战随之而来：电芯或电池包的高压芯片组数据（电压、电流和温度读数以及相关的安全措施信息）将作为原始数据传输。由于故障检测时间间隔、故障反应时间间隔和安全状态具有严格的定义，因此需要密切观察和优化接口的可用带宽，并且区域控制或域控制 MCU 需要严格的时隙，以便在给定的时间间隔内进行处理。

提高高压芯片组的智能水平或在BMS 边缘（例如在智能电池接线盒中）添加更小的安全 MCU，都可以简化这一挑战。通过在本地处理功能安全措施，不再需要在 BMS 内发送除任务之外的任何数据：边缘的本地安全 MCU 会向集中式 MCU 发送在本地获取的 OK/NOK 数据，而非底层的原始数据，从而显著减少时间并简化带宽挑战。

在 BMS 内实现智能的技术：MCU

了解向更安全、更智能的 BMS 进行过渡如何促进 MCU 技术、通信接口和电池接线盒设计的发展。

从最基础的层面来说，MCU 在 BMS 中有两个主要作用：连接到传感器以接收数据，以及将该信息传回车辆网络。先进的 MCU 有助于从电池向车辆的其余部分发送更高质量的数据，从而帮助更准确地了解车内发生的情况。对于 MCU 来说，由于需要复杂的算法来提供智能以更大程度提高电池利用率，因此算力不断提高。同时，随着电池尺寸的增加，需要测量的单个电芯的数量也将增加。

为了满足这些高级算法的要求以及传感需求，一种方法是提高核心计算性能。现在，有一些运行频率高达 1GHz 的多核器件能够在系统内进行计算和操作。德州仪器推出了基于 ArmCortex的 32 位 MCU 产品系列，其中包含高性能和高能效的器件，可帮助满足系统需求。

此外，在 BMS 中，功能安全能力也是 MCU 的一项重要标准。MCU 需要支持汽车安全完整性等级 (ASIL) D，并具有内置的硬件安全模块，旨在帮助满足系统的安全要求。德州仪器 AM263P4-Q1 MCU 等器件作为多核器件，具有更高的计算工作频率，并提供了高级外设来支持联网和提升传感和驱动 IP 的质量。

数字孪生、机器学习和车队管理

了解如何运用机器学习算法来推动智能电池数字孪生等趋势。

BMS 中的软件实施在不断创新。获得精确的电池包和电芯测量是实现比卡尔曼滤波器或库仑计数更先进的 X 状态算法的基础。借助于针对个人驾驶行为、交通状况以及地理和道路条件的监控功能，可以实现更精确的车辆续航里程预测以及电池健康状态数据和荷电状态估算。此功能称为创建数字孪生，可实现进一步的商业模型，如软件定义车辆中的车辆续航里程临时升级。

德州仪器推出了基于 Arm且支持 AutoSAR 的 AM263P4-Q1 MCU 器件。这款器件包含一个使用自适应电芯建模系统的库，并支持机器学习服务以改进车队和车辆 X 状态测量，有助于实现更智能的充电并优化电池健康状态和续航里程。

BMS 是许多颠覆性和创新性概念的核心。德州仪器提供的器件解决方案涵盖了完整的 BMS产品系列，旨在展示系统级优势并使车辆更智能、更安全、互联程度更高。