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【技術分享】F-RAM存儲器在電動汽車的BMS中的應用方案

2019-04-18

  隨著電動汽車技術的發(fā)展,以及政府的政策鼓勵與扶持,電動汽車(混動+純電動)以每年超過50%的速度高速增長,電池以及電池管理系統(tǒng)作為電動汽車的核心組件,其市場需求也獲得相應的快速增長。本文將就電池管理系統(tǒng)對存儲器的需求進行分析

  電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, 即BMS)主要實現(xiàn)三大核心功能:電池充放電狀態(tài)的預測和計算(即SOC)、單體電池的均衡管理,以及電池健康狀態(tài)日志記錄與診斷。功能框圖如下:

  在整個電池管理系統(tǒng)中,電池荷電狀態(tài)的預測和計算(即SOC)是其最重要的功能,因為有了精確的電池充電/放電狀態(tài)的預測/計算,才能進行有效均衡管理。所以,SOC精準度的要求是越高越好。

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  為了提高SOC的精準度,除了要采集電池的電壓、電流參數(shù),還需要提供諸如阻抗、溫度、環(huán)境溫度、充放電時間等多種參數(shù)。電池固有參數(shù)會通過數(shù)學建模的方式,建立軟件模型,而動態(tài)參數(shù)則通過數(shù)據(jù)采集卡實時的采集數(shù)據(jù),并實時地把數(shù)據(jù)傳輸至MCU單元存儲,然后MCU對提取的數(shù)據(jù)進行算法計算,從而得出精確的電池荷電狀態(tài)。

  因此,SOC功能會將不同電池的模型存入存儲器,該存儲器需具有低功耗、快速讀寫、接口簡單以及數(shù)據(jù)保持時間達到20年的要求;SOC功能需要采集卡不停地實時將采集的電池電壓/電流數(shù)據(jù)存入存儲器,假如一個MCU單元,對接10路單體電池的采集數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)卡一般會采用1MB的isoSPI總線進行通信,即對于MCU單元的存儲器,接口速率要求高且?guī)缀趺棵胫卸家M行一次數(shù)據(jù)寫操作;而電池的壽命要求至少是10年,假如一臺車運行時間是8小時,那么MCU單元的存儲器的數(shù)據(jù)寫操作在電池包生命周期內的寫次數(shù)為1億5百萬次。

  綜上分析可見,BMS里面的SOC功能非常關鍵,所以其對存儲器的性能與可靠性也是非常高:必須是非易失性的存儲器,擦寫次數(shù)至少要超過1.1億次,接口速率大于8MHz,低功耗且數(shù)據(jù)能夠可靠保存20年的時間,需要符合AECQ-100,未來需要通過功能安全認證,至少具有ASILB等級。

  目前主流的非易失性的存儲器有EEPROM、 Flash 以及F-RAM。EEPROM 的接口有SPI接口,速率可以做到10Mhz,但是每次寫都有一個5ms寫等待時間,擦寫次數(shù)是1百萬次,功耗中等,有車規(guī)級器件,但是目前未做功能安全認證,數(shù)據(jù)保持能力也可以做到20年。

  Flash的讀寫速度較慢,每次寫操作都必須進行擦寫,因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時間,擦寫次數(shù)也只能支持10萬次,遠遠低于1.1億次的要求,數(shù)據(jù)保持能力在10年到20年之間。

  F-RAM 是通過鐵電這種特殊材料作為存儲介質,其具有高可靠性,數(shù)據(jù)保持時間為100年,完全隨機不需要寫等待的高讀寫效率,SPI接口速率最高可以支持到50Mhz或108MHz QSPI,并且具有非常低的功耗;由于其特殊的鐵電材質,所以該類型存儲器的擦寫次數(shù)可以高達100億次。如下圖所示:

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  如上圖所示,F(xiàn)-RAM作為一款獨特的非易失性存儲器,無論在寫入速度、耐久性還是在功耗與可靠性方面,都是目前實現(xiàn)高可靠性BMS系統(tǒng)的最佳存儲器選擇。

  美國賽普拉斯半導體公司(Cypress Semiconductor Inc.)作為全球領先的F-RAM核心供應商,提供非常齊全的鐵電隨機存儲器F-RAM產品,容量由4Kb到8Mb,接口為I2C/SPI 接口,具有幾乎無限次的讀寫次數(shù)(100億次讀寫周期),QSPI接口速率高達108Mhz,不需要寫等待時間,工作電流低至0.6mA,是能夠承受125度高溫的汽車級芯片解決方案,并且符合ASIL-B。


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