圖為北京科易動(dòng)力科技有限公司副總經(jīng)理華劍鋒

2016年11月26日—27日，百人會(huì)·清華大學(xué)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高層研修班第三期四次課程在清華大學(xué)開課。目前，我國(guó)自主研發(fā)的核心零部件缺失，尚未形成技術(shù)壁壘，成為新能源汽車發(fā)展的潛在危險(xiǎn)。掌握核心技術(shù)，提高產(chǎn)品性能及安全性，才能形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的品牌，支撐產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保障。因此，此次課程的主題定為“電動(dòng)汽車核心技術(shù)突破與創(chuàng)新”。

高層研修班作為中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)為汽車產(chǎn)業(yè)服務(wù)的一個(gè)重要平臺(tái)，時(shí)刻關(guān)注著汽車產(chǎn)業(yè)的相關(guān)熱點(diǎn)話題。目前第三期研修班已圍繞動(dòng)力電池、新能源汽車產(chǎn)業(yè)投融資、智能汽車與交通等熱點(diǎn)問題舉辦了三次研修班課程。

此次課程，北京科易動(dòng)力科技有限公司副總經(jīng)理華劍鋒為學(xué)員們帶來了精彩的內(nèi)容。

電池管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)里面很重要的零部件或電控系統(tǒng)，但是如果從整車和汽車電子角度看，電池管理系統(tǒng)是非常復(fù)雜的。它的整個(gè)研發(fā)體系、設(shè)計(jì)勢(shì)必要跟汽車電子系統(tǒng)發(fā)展結(jié)合在一起，在研發(fā)和產(chǎn)品安全上也會(huì)有自己的特點(diǎn)，遵循汽車電子開發(fā)的一些規(guī)律、規(guī)范以及流程等。

汽車電子技術(shù)進(jìn)展及趨勢(shì)

來看一下近些年汽車電子技術(shù)的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。

第一，汽車電子的傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，各項(xiàng)性能得到不斷的提高，在整車上的汽車電子傳感器應(yīng)用不斷增加，特別是像高集成度的MEMS傳感器，類似于角度、角速度、加速度都達(dá)到了集成化的程度。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車和自動(dòng)駕駛的熱度不斷提升，在汽車感知方面的傳感器也越來越多，比如攝像頭、毫米波特種、激光特種等。激光技術(shù)在電池系統(tǒng)安全方面的檢測(cè)，也有一些探索，但暫時(shí)還不是很成熟。

第二，車用處理器這幾年不斷升級(jí)，多核的MCU已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。這主要是由兩方面需求帶來的結(jié)論，一方面是現(xiàn)在的算法，例如ABS、ESP等，這些汽車等級(jí)要求的實(shí)時(shí)控制算法，在底層和上層的分割上，按照標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件架構(gòu)對(duì)整個(gè)計(jì)算量的要求會(huì)越來越大。另一方面，來自于功能安全方面的要求，使得在處理器上必須考慮在整個(gè)處理器核心的安全監(jiān)控，使得多核MCU的發(fā)展在這幾年得到較大的進(jìn)步。我們可以看到在早期的時(shí)候，多核MCU主要是以主CPU+FPU+TPU這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但是在現(xiàn)今，從功能安全架構(gòu)上，比如Infineon多核處理器，除了有多個(gè)單獨(dú)的計(jì)算核以外，還會(huì)有這種獨(dú)立的鎖步核來保證整個(gè)芯片構(gòu)架上的功能安全。

第三，一些新型的數(shù)據(jù)總線及通訊技術(shù)日趨成熟，并且逐漸在汽車電子上得到使用。這也是隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車和自動(dòng)駕駛帶來的一些新的趨勢(shì)。比如之前比較熱的Flexray，已逐漸在一些高檔車型上使用。這些不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新技術(shù)，通過網(wǎng)關(guān)形成一個(gè)整體。這些網(wǎng)絡(luò)的混合體形成了現(xiàn)在智能汽車的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，隨著車載以太網(wǎng)和4G網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展基礎(chǔ)已經(jīng)準(zhǔn)備地非常好了。

第四，先進(jìn)軟件架構(gòu)應(yīng)用，在電子電氣和軟件方面，基于模型的開發(fā)及驗(yàn)證已經(jīng)形成了非常完善的體系，為了保證汽車電子軟件的安全，從架構(gòu)上要符合AutoSAR的架構(gòu)，滿足ISO26262等開發(fā)體系的架構(gòu)和流程，才能最終保證軟件上的安全。

汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)上的發(fā)展及應(yīng)用

關(guān)于汽車電子技術(shù)進(jìn)步在電池管理系統(tǒng)上的應(yīng)用以及發(fā)展情況，簡(jiǎn)單向各位介紹一下。

首先是汽車的傳感器集成，在車上，傳感器覆蓋了從整車安全、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)，以及車門、車窗、BCM、ABS、ESP、EPS，類似這樣的電子電控系統(tǒng)，有大量的處理器和傳感器得到應(yīng)用。目前，保證電動(dòng)汽車安全是比較關(guān)鍵的，比如電池管理系統(tǒng)里單體電壓的芯片，其實(shí)也是智能集成芯片的傳感器。

關(guān)于這些年最主要的進(jìn)步，還需要提一下的就是，單體電壓測(cè)量的芯片。在早期，比如6801、6802這一系列的芯片在逐步應(yīng)用的時(shí)候，實(shí)際上對(duì)于芯片級(jí)別的耐壓的等級(jí)設(shè)計(jì)是比較低的。到今天，最新的6804或者Infineon的芯片耐壓可以做到75-80V以上，對(duì)于我們整個(gè)由于耐壓帶來的損害問題都可以得到有效緩解。另外像ESD、靜電和濫用的保護(hù)，在單體電壓芯片的通道上發(fā)展也非?？?。因此也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)集成，特別是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比如生產(chǎn)過程、裝配過程，以及在現(xiàn)場(chǎng)匹配標(biāo)定過程中的可靠性帶來很大提高，我想如果是在電池管理系統(tǒng)方面升級(jí)上，大家可以著重地去考慮，更多提高在這方面的可靠性。另外一方面，單體電壓的準(zhǔn)確測(cè)量以及對(duì)過壓的保護(hù)和及時(shí)地判斷，其實(shí)對(duì)電池管理系統(tǒng)安全來說，說多重要都是不過分的。因此現(xiàn)在如果要達(dá)到ASIL-C或者D的要求，單體測(cè)量芯片上也必須進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。這方面像從Infineon的Bali芯片上可以看到，在每一個(gè)通道上，相當(dāng)于每一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量的通道上都放一個(gè)獨(dú)立的ADC對(duì)電壓進(jìn)行采集，都是獨(dú)立進(jìn)行測(cè)量的。同時(shí)還有一個(gè)通用的ADC，這個(gè)通用的ADC能對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)是實(shí)時(shí)的校驗(yàn)，另外一個(gè)是在單體通道失效之后還可以有備用通道繼續(xù)保證可以檢測(cè)到比較準(zhǔn)確的單體電壓值，這是符合ASIL-D級(jí)別的設(shè)計(jì)架構(gòu)。所以，功能安全上也是下一代單體測(cè)量芯片重點(diǎn)的發(fā)展方向。

此外，單體集成測(cè)量芯片在均衡方面的功能也有不少進(jìn)步，所有芯片都開始引入休眠均衡技術(shù)，主要得益于汽車電子在低功耗方面的進(jìn)展，使得現(xiàn)在的技術(shù)進(jìn)步得到了可能。低功耗全天候的均衡是什么意思呢？現(xiàn)在的芯片里面有一個(gè)專門的均衡模塊，當(dāng)電池管理系統(tǒng)的BMU計(jì)算出均衡量需要多少的時(shí)候，可以把這個(gè)命令發(fā)到下面的CMU上，在整個(gè)電池管理系統(tǒng)完全斷電的情況下，這個(gè)芯片仍然可以獨(dú)立工作，進(jìn)行均衡。在均衡的過程當(dāng)中，可以提前算出均衡量的時(shí)間來進(jìn)行工作，并且可以定時(shí)喚醒，設(shè)定幾種條件觸發(fā)，比如發(fā)現(xiàn)某個(gè)電池均衡之后突然欠壓了，之后這塊芯片就會(huì)發(fā)出喚醒命令，通過喚醒通道把主CPU喚醒，進(jìn)行處理。定時(shí)的喚醒也可以使BMU對(duì)定時(shí)的效果進(jìn)行檢查，使得整個(gè)車輛全天候的均衡變成一個(gè)可能性。

全時(shí)、全天候均衡的意義是什么呢？大家可以想象一下，平時(shí)家用的汽車，一天開2-3小時(shí)，可能應(yīng)該是普遍的時(shí)間，如果說均衡只能在車輛行駛的時(shí)候進(jìn)行的話，實(shí)際上我可能只有兩三個(gè)小時(shí)的均衡時(shí)間，如果我需要把電池的電量在一個(gè)時(shí)間內(nèi)均衡回來的話，需要的均衡電流勢(shì)必就比較大。假如24小時(shí)均衡的話，相當(dāng)于我的均衡電流大概1/10就可以達(dá)到相同的均衡效果，這對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的功能安全是非常有效的。

分享一下我個(gè)人的觀點(diǎn)。均衡方面，不管是主動(dòng)均衡還是非主動(dòng)均衡，大電流的均衡實(shí)際上對(duì)整個(gè)電池管理系統(tǒng)安全是不太合理的，比如說經(jīng)常聽到有一些BMS10安培的均衡能力，或者20安培的均衡能力，聽起來我心里挺害怕，這樣的BMS出現(xiàn)安全問題帶來的后果是非常嚴(yán)重的。全時(shí)均衡、全天候的均衡技術(shù)，可以使我們的均衡電流變小。

單體電壓、電流的測(cè)量能力也是目前芯片技術(shù)發(fā)展的亮點(diǎn)，能夠做到對(duì)單體電壓測(cè)量的同時(shí)，進(jìn)行一路電流的測(cè)量，而不需要增加新的測(cè)量通道，并且在芯片內(nèi)部會(huì)自動(dòng)通過電壓和電流的同步特性，估算出電池的內(nèi)阻。比如現(xiàn)在的BMS架構(gòu)里面，電流測(cè)量和單體測(cè)量是分開的，分開就會(huì)導(dǎo)致第一個(gè)電流和單體電壓的同步上會(huì)存在一定問題，現(xiàn)在大部分都是通過CAN總線來同步，實(shí)際上它的同步級(jí)別按照現(xiàn)在的總線通訊頻率來說，可能也是在十毫秒的級(jí)別。第二是由于單體測(cè)量和電流測(cè)量分開之后，使得測(cè)量頻率不能提太高。因此，在一些特別想對(duì)電池做頻率分析和測(cè)量的時(shí)候，使這個(gè)可能性變得很差。

下一步的發(fā)展是要做到對(duì)單體電壓的分析。對(duì)于整個(gè)芯片來說，例如某個(gè)芯片是測(cè)量14節(jié)電池的，在測(cè)量模式上，可能會(huì)在某一些時(shí)刻，在某一個(gè)時(shí)刻可能會(huì)關(guān)掉其他13節(jié)電池的通道，單獨(dú)測(cè)量一節(jié)電池的通道，這樣可以很高頻率測(cè)量。現(xiàn)在最快可以做到兩個(gè)微秒進(jìn)行一次測(cè)量，這個(gè)頻率已經(jīng)足夠去完成整個(gè)電池特性的分析了，這些都是我們未來技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

另外，在電流電壓傳感器方面，隔離智能電流電壓應(yīng)用，應(yīng)該也是后續(xù)進(jìn)一步提高電流和電壓測(cè)量精度的趨勢(shì)之一。在采用超低溫飄的分流電阻來保證有完整的電流精準(zhǔn)，在板極的層次上對(duì)整個(gè)精密的電阻進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)能夠滿足非常嚴(yán)酷的汽車上的電池兼容的測(cè)試要求。在精密的電流電壓傳感器的基礎(chǔ)上，才能做到電流同步測(cè)量的能力。因?yàn)椴豢赡茉诿恳粋€(gè)電池系統(tǒng)模塊上都放一個(gè)特別精密的電阻，因此其實(shí)這些電流的來源都是來自于模塊的電阻測(cè)量，在這一塊需要有一個(gè)總的電流基準(zhǔn)源去把整個(gè)電流的精度，通過分發(fā)式的方式逐步映射到每一個(gè)電池模塊上，這一塊既可以是得到多個(gè)電流的精確測(cè)量，也可以兼顧到整個(gè)Busbar連接的可靠性，同時(shí)也有多個(gè)電流測(cè)量的備份，這都是高功能安全的設(shè)計(jì)思路。

在熱失控的溫度測(cè)量上，也要注意跟傳統(tǒng)溫度測(cè)量的區(qū)別。比如現(xiàn)在大部分使用的電池管理系統(tǒng)，NTC的傳感器都是零下40度到125度的范圍，再往上的話可能就會(huì)出現(xiàn)問題。在熱失控的過程中，整個(gè)溫度快速上升的過程，實(shí)際上是要接近200度左右，然后繼續(xù)上升。從我的觀點(diǎn)來看，如果是要滿足測(cè)量熱失控范圍內(nèi)的傳感器，就要滿足到至少200度，因?yàn)楝F(xiàn)在很多傳感器都是有固定安裝式或者貼片式，中間會(huì)有耐壓的樹脂或者類似的材料，在高溫的時(shí)候耐壓會(huì)下降，會(huì)帶來一些安全性上的問題。在熱時(shí)間上也必須要做選擇，現(xiàn)在一些溫度傳感器，熱時(shí)間長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量是問題不大的，因?yàn)闇囟仁亲兓容^緩慢。但是，對(duì)于監(jiān)測(cè)熱失控來說，對(duì)熱時(shí)間的選取是比較關(guān)鍵的考慮因素。此外，傳感器的電路測(cè)量上，為了避免NTC的傳感器溫度越高，內(nèi)阻越小，所以在內(nèi)短路時(shí)，溫度急劇上升時(shí)候電阻的表現(xiàn)，實(shí)際上和傳感器短路的表現(xiàn)差不多的。如果是為了準(zhǔn)確地測(cè)量出傳感器到底是因?yàn)槎搪肥Я诉€是熱失控了，在匹配的溫度傳感器的測(cè)量接口上也必須使用這種自動(dòng)匹配接口的ADC。但是，如果ADC的放大系數(shù)不變化的話，到了高溫階段之后，很難分辨出來到底是溫度傳感器短路了還是電池?zé)崾Э亓耍虼嗽贏DC里面會(huì)根據(jù)這個(gè)阻值不斷調(diào)整，去匹配測(cè)量溫度的大小，在每個(gè)階段都可以把ADC的取值得到一個(gè)比較寬泛的范圍，這樣能夠準(zhǔn)確判斷究竟是傳感器失效了，還是熱失控了，這也是我們需要關(guān)注的一個(gè)技術(shù)點(diǎn)。

車用多核處理器在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車級(jí)的多核處理器在這幾年得到飛速發(fā)展，未來技術(shù)發(fā)展路線上，應(yīng)該要能夠滿足多核復(fù)雜計(jì)算和校驗(yàn)的功能。大家可能會(huì)有一個(gè)疑問，處理器技術(shù)如此發(fā)展，是否會(huì)給電池管理系統(tǒng)成本帶來很大的壓力？實(shí)際上不是這樣的，因?yàn)樾酒夹g(shù)發(fā)展也很快，在成本上來看，基本上比使用單核處理器還要便宜得多，因此在成本、趨勢(shì)上來看，使用最新技術(shù)的多核處理器也是我們重要的趨勢(shì)。

現(xiàn)在電池管理系統(tǒng)算法越來越復(fù)雜，基于手動(dòng)編程的開發(fā)方法，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求。因此，現(xiàn)在基本上都是基于模型的開發(fā)，在整個(gè)算法大的體系上面，其實(shí)主要是分為三個(gè)大塊，主要是分為安全性的算法、動(dòng)力性的算法和耐久性的算法。實(shí)際上，每一個(gè)算法的要求和計(jì)算能力的要求是不一樣的，比如安全性算法來說，它對(duì)實(shí)時(shí)的要求是最高的，比如發(fā)現(xiàn)過壓、欠壓、過溫或過熱，在需要安全性算法能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行處理，計(jì)算的頻率要高。并且安全性算法涉及到很多跟整車接口的東西，比如說單體數(shù)據(jù)的處理、整車的通訊，通訊也是保障整個(gè)安全很重要的一個(gè)硬件基礎(chǔ)之一。

動(dòng)力性是要求整個(gè)精度要高，比如像SOC、SOP、SOE計(jì)算方面，比如像SOC方面，計(jì)算量變大了，但是對(duì)于整個(gè)過程來說，我需要它能夠不受干擾地做運(yùn)算，在合適的時(shí)間內(nèi)能夠得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，這是我們比較關(guān)注的一些內(nèi)容。這一塊算法的更新頻率就會(huì)相對(duì)較低，對(duì)SOC、SOP、SOE的算法，可能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不停地實(shí)驗(yàn)，對(duì)電池進(jìn)行大量的測(cè)試和標(biāo)定，然后建模，通過對(duì)模型之間的估計(jì)算法去得到準(zhǔn)確的SOC的值。這一塊算法可能對(duì)于大部分客戶都是一樣的，它不需要頻繁地根據(jù)不同項(xiàng)目去進(jìn)行更新。這一塊更新頻率比較低，但是對(duì)電芯的依賴程度提高很多，對(duì)算法的可靠性要求提高很多。

關(guān)于耐久性，主要涉及到電池，其實(shí)主要對(duì)能量型的電池容量的預(yù)估，其次是基于整個(gè)容量級(jí)別的均衡算法的結(jié)構(gòu)。主要問題是辨識(shí)的問題，因此它的計(jì)算頻率就更低了。例如，對(duì)SOH的估算，很有可能大部分時(shí)間都碰不上合適的時(shí)機(jī)輸出結(jié)果，計(jì)算頻率就更低了，更多要求的是準(zhǔn)確地辨識(shí)出控制對(duì)象的特征。這塊也是跟動(dòng)力性算法是類似的，更新頻率更低了，團(tuán)隊(duì)研發(fā)很長(zhǎng)時(shí)間之后才會(huì)做一次更新。

對(duì)這三個(gè)算法來說，整個(gè)計(jì)算周期要求是不太一樣的。安全性控制，要在10毫秒以內(nèi)處理完所有單體的電壓、電流，甚至絕緣電阻、總電壓、電流的數(shù)據(jù)，來做出準(zhǔn)確的判斷，電池是否處于安全的情況，然后對(duì)整車進(jìn)行匯報(bào)和聯(lián)合控制。但是對(duì)SOC、SOP的估算過程中，我只需要50毫秒更新就可以了。對(duì)于耐久性來說，周期就不定了，因?yàn)殡姵噩F(xiàn)在都是要使用很長(zhǎng)時(shí)間，我們對(duì)SOH的修正周期是不定的。

算法的開發(fā)

對(duì)于安全性開發(fā)來說，可能需要較大的團(tuán)隊(duì)來適應(yīng)不同的整車廠、不同的客戶、不同的項(xiàng)目，整個(gè)工作主要是以算法調(diào)試、匹配、標(biāo)定為主，它跟項(xiàng)目的相關(guān)性相當(dāng)高；對(duì)于動(dòng)力性開發(fā)來說，團(tuán)隊(duì)建設(shè)上可能就需要熟悉電化學(xué)、材料的技術(shù)人員，對(duì)電池的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的擬合、建模，以及得到最終合適的算法，它需要的團(tuán)隊(duì)其實(shí)并不是很多，因?yàn)閷?duì)大部分項(xiàng)目來說，其實(shí)變化是不太大的。對(duì)耐久性開發(fā)來說，對(duì)電池的相關(guān)程度就更高了，可能需要一個(gè)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)，比如對(duì)電池衰減老化的過程進(jìn)行建模，探索一些自學(xué)習(xí)、自標(biāo)定的復(fù)雜算法，這一塊可能就要匹配一些比較高端的團(tuán)隊(duì)。這些算法的過程當(dāng)中，從耐久性和安全性上，項(xiàng)目的相關(guān)度是逐漸提升的，但是算法的難度保密性也是反過來的。因此在開發(fā)上，特別希望把這三塊開發(fā)結(jié)合，并且針對(duì)不同的應(yīng)用能夠得到我們合適的聯(lián)合開發(fā)模式。

我們做到了這三個(gè)算法完整的解耦，并且獨(dú)立運(yùn)行在獨(dú)立的處理器上。也就是說，對(duì)這三塊算法，現(xiàn)在能夠做到獨(dú)立建模、獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立下載、獨(dú)立驗(yàn)證，以及聯(lián)合調(diào)試和聯(lián)合驗(yàn)證的功能。換句話說，我的BMS在不同項(xiàng)目里面，對(duì)于處理安全性算法這一塊的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，它接觸不到關(guān)于耐久性和動(dòng)力性的內(nèi)容。在整個(gè)程序的刷寫、更新上可以獨(dú)立對(duì)每個(gè)算法進(jìn)行更新。

這一功能主要通過Simulink里的一個(gè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，它是對(duì)于代碼生成和編譯的過程。這一塊建立起來以后，能使程序在開發(fā)過程中考慮到幾個(gè)不同核心之間算法的分配，又可以獨(dú)立定義每一個(gè)Target在程序中的聯(lián)合共享機(jī)制和開發(fā)模式，對(duì)現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)來說，每一個(gè)模塊都是單獨(dú)開發(fā)的，可以統(tǒng)一有一個(gè)。

在共享內(nèi)存的機(jī)制上，現(xiàn)在主要涉及的是通過安全性算法的核來對(duì)外設(shè)進(jìn)行管理，在對(duì)外設(shè)進(jìn)行管理的同時(shí)，三個(gè)承擔(dān)不同算法的獨(dú)立處理器都具有獨(dú)立的內(nèi)存區(qū)和代碼區(qū)，同時(shí)也可以通過共享內(nèi)存來共享數(shù)據(jù)，也可以跨過共享內(nèi)存去訪問一個(gè)核的私有內(nèi)存區(qū)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)下，對(duì)于整個(gè)體系安全來說，也可以達(dá)到一個(gè)比較高的程度，但是這個(gè)情況可能發(fā)生率就非常非常小。

另外兩個(gè)LockStep主要是用來做核計(jì)算的驗(yàn)證，這個(gè)要求都是ASIL-D級(jí)別的要求，主要是兩種校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，一種叫延遲的LockStep，就是我們把每一條CPU指令都延遲給到LockStep核，當(dāng)它計(jì)算出來以后，和整個(gè)主核心計(jì)算延遲兩個(gè)核進(jìn)行比較，當(dāng)比較一致之后，認(rèn)為整個(gè)處理器是工作在正常的情況下。另外我們叫AntiLockStep，就是每一條指令都反向執(zhí)行，執(zhí)行完之后，每一條指令在CPU輸出的結(jié)果都必須是相反的結(jié)果，才能夠得到現(xiàn)在這個(gè)核工作在比較正常的情況下，這個(gè)都是LockStep另外兩個(gè)核的應(yīng)用。

在多核處理器平臺(tái)上我們采用LockStep多核處理器，對(duì)電池管理系統(tǒng)來說，我個(gè)人覺得是一個(gè)必然的趨勢(shì)，在這個(gè)過程當(dāng)中，使用多核處理器平臺(tái)也能夠使得我們?cè)谒惴ǚ矫?、測(cè)試方面、開發(fā)方面得到很多益處，特別是在計(jì)算能力方面能夠得到大量的提升，比如對(duì)SOC的擬合算法完全可以不受CAN總線打斷的干擾，不需要受安全性實(shí)時(shí)控制的切斷，它對(duì)提高對(duì)電量積分的精度也都有很大的好處。

電池管理系統(tǒng)的總線

電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)，有主控的BMU，BMU通過CAN總線連到每一個(gè)CMU上，通過CMU對(duì)每一節(jié)電池進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行均衡等工作。這樣的結(jié)構(gòu)我個(gè)人認(rèn)為是比較適合于商用車，或者是整個(gè)分箱結(jié)構(gòu)體積比較大，分布比較遠(yuǎn)的電池系統(tǒng)。因?yàn)镃AN總線的電磁兼容性，以及作為總線的結(jié)構(gòu)上來說，對(duì)于安全方面是有很好的基礎(chǔ)的。另外對(duì)于商用車、客車這些結(jié)構(gòu)，本地有很大的控制需求，例如熱管理的需求、控制風(fēng)扇、加熱片、繼電器等，因此使用這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使得CMU有能力處理一些本地的控制工作，使用CAN總線這個(gè)結(jié)構(gòu)，勢(shì)必這個(gè)地方要嵌入一個(gè)MCU，這個(gè)MCU可以用來干點(diǎn)其他的事情，比較適合本地的處理。

但是現(xiàn)在如果要保證實(shí)時(shí)安全，在安全性算法上要做到10個(gè)毫秒一個(gè)周期?？梢院?jiǎn)單計(jì)算一下，按照單體電壓和溫度的數(shù)據(jù)來算，實(shí)際上就算采用一兆比特每秒的波特率，對(duì)于CAN總線的負(fù)載率也會(huì)達(dá)到60%以上，這對(duì)于整個(gè)總線的壓力是非常大的。傳統(tǒng)CAN總線來說，一般控制CAN的負(fù)載率在30%以下才是穩(wěn)定可靠，能夠滿足各種惡劣汽車電子要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，在這樣的需求背景下，實(shí)際上CAN總線對(duì)數(shù)據(jù)交換來說是不夠用的。另外對(duì)單體溫度來說，是按照每一串一個(gè)單體溫度來做計(jì)算的。這一點(diǎn)也是我們對(duì)電池管理系統(tǒng)安全上比較堅(jiān)持的觀點(diǎn)。

現(xiàn)在大家比較流行一種設(shè)計(jì)，做整個(gè)系統(tǒng)的熱仿真，仿真后可以用幾個(gè)溫度傳感器代表大部分電池的溫度，這對(duì)降低成本來說是比較好的方案。但是面臨三元電池，對(duì)于熱失控的監(jiān)控要求，對(duì)熱失控第一時(shí)間的獲取，實(shí)際上是達(dá)不到的。比如說電池系統(tǒng)里面150電池，如果只布置20個(gè)溫度傳感器，甚至有些電池管理系統(tǒng)就布置5個(gè)溫度傳感器，我個(gè)人覺得可能對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)安全來說是不夠的。因此，在這樣的數(shù)據(jù)處理周期下，現(xiàn)在開始應(yīng)用一些CANFD的總線技術(shù)。其實(shí)CANFD總線技術(shù)是BOSCH2011年提出來了的，整個(gè)物理接口和CAN總線是兼容的，也采用同樣的物理層。在2015年的時(shí)候，已經(jīng)正式在11898標(biāo)準(zhǔn)里面得到了更新，因此它也是標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線的協(xié)議接口。對(duì)我們來說，對(duì)之前的CAN總線的拓?fù)浼軜?gòu)都不用變，只要采用一些新的收發(fā)器、新的CAN控制器，就能實(shí)現(xiàn)CANFD通訊。

其實(shí)CANFD通訊理解起來非常簡(jiǎn)單，在CAN總線通信當(dāng)中，整個(gè)數(shù)據(jù)幀里面有八個(gè)字節(jié)是傳數(shù)據(jù)的，在CANFD的技術(shù)里面，把這八個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)速率提高了，速率最高可以提高8倍。在這樣的情況下，現(xiàn)在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)采用了500K的基礎(chǔ)，CAN通信速率和4兆的FD，現(xiàn)在整個(gè)滿足10個(gè)毫秒以內(nèi)的整個(gè)數(shù)據(jù)傳送的負(fù)載率下降了15%左右，是非常穩(wěn)定的CAN總線結(jié)構(gòu)。

BMS的拓?fù)浼軜?gòu)

另外一種拓?fù)浼芪乙蚕牒痛蠹乙黄鹛接懀褪顷P(guān)于DaisyChain菊花鏈的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)在隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展非常有競(jìng)爭(zhēng)力的一種BMS拓?fù)涞募軜?gòu)。我認(rèn)為這種架構(gòu)非常適合于乘用車，或者是集中式的BMS以及緊湊的高能量密度的電池系統(tǒng)。它就是通過整個(gè)BMU，通過整個(gè)菊花鏈的方式，把整個(gè)CMU串聯(lián)起來。在CMU這個(gè)結(jié)構(gòu)上完全是通過單體電壓測(cè)量芯片的功能來實(shí)現(xiàn)的，也就是說，在整個(gè)CMU上面是不需要CPU的，只需要一顆測(cè)量芯片就能滿足要求。

為什么說這個(gè)結(jié)構(gòu)適用于乘用車？因?yàn)榻?jīng)過實(shí)際測(cè)量，對(duì)于菊花鏈這種通信方式，在電子兼容方面還是達(dá)不到CAN總線的等級(jí)，因此對(duì)大客車來說，如果菊花鏈串得很遠(yuǎn)，或者在不同分箱結(jié)構(gòu)之間連接，都會(huì)有很多電磁兼容和不可靠的現(xiàn)象難以處理。但是在乘用車?yán)锩妫瑢?duì)整個(gè)車來說就是一個(gè)整體的電池組，整個(gè)在空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上也比較小，因此可以把整個(gè)控制系統(tǒng)用菊花鏈串起來，這樣可以在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)省掉一個(gè)CPU，省掉一個(gè)電源模塊，省掉一個(gè)CAN收發(fā)器，對(duì)于成本的控制和整個(gè)電子系統(tǒng)集成度提高是非常有利的。

對(duì)菊花鏈的方案來說，需要關(guān)注的是整個(gè)對(duì)電池模塊系統(tǒng)不均衡帶來的影響?？梢钥吹皆谡麄€(gè)菊花鏈的測(cè)量方案上，它是不需要供電的，但是芯片工作肯定都是需要供電的。它從哪里取電呢？實(shí)際上是從電池上直接取電的，電池上取電，所有工作的能力都是需要耗散能量，因此，當(dāng)每一塊電池的數(shù)據(jù)從上往下這樣傳遞的時(shí)候，對(duì)于這塊芯片它只用傳一片芯片的數(shù)據(jù)，而這塊芯片需要傳兩塊芯片的數(shù)據(jù)，到最底下的芯片需要傳遞所有芯片的數(shù)據(jù)，因此這塊芯片的耗電量會(huì)比上面所有芯片耗電量都要高。從長(zhǎng)期應(yīng)用來看，如果是長(zhǎng)期的單向通訊會(huì)會(huì)主動(dòng)造成電池模塊不均衡。一般解決方案是什么？一般都會(huì)做成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，菊花鏈的結(jié)構(gòu)會(huì)在整個(gè)MCU再出一個(gè)鏈條，這個(gè)鏈條一直傳上去之后再折回來形成一個(gè)環(huán)形的結(jié)構(gòu)。在傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)候，一會(huì)兒是從上往下傳，一會(huì)兒又返回來，逆時(shí)針傳遞，讓每一個(gè)芯片傳遞的數(shù)據(jù)量保持均衡。能夠減輕傳遞帶來不均衡的效果。但是這也看電池的一致性和均衡能力問題。

菊花鏈的電磁兼容性是一定要著重去考察的一個(gè)項(xiàng)目，它會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性，甚至在一些嚴(yán)酷的，比如說像脈沖群的嚴(yán)酷打擊下，甚至?xí)惺У目赡苄?。在這塊來說，比較著重關(guān)注的主要是BCI大電量注入的電磁兼容考察?？梢园讯鄠€(gè)菊花鏈串在一起進(jìn)行電流注入實(shí)驗(yàn)，如果在隔離變壓器或者隔離電容這一塊的選取以及接地和耦合電容不合理的話，在這樣一些典型干擾下是會(huì)出現(xiàn)很大的問題。在電動(dòng)汽車的運(yùn)行上面，其實(shí)對(duì)于整個(gè)產(chǎn)生BCI的干擾其實(shí)也是比較強(qiáng)的，這一塊是我們?cè)谑褂镁栈ㄦ湹臅r(shí)候需要關(guān)注的重點(diǎn)。

我們認(rèn)為在商用車的架構(gòu)上，CAN總線的拓?fù)溥€是比較合適的結(jié)構(gòu)。在未來大量數(shù)據(jù)傳送的情況下，CANFD的技術(shù)可能會(huì)得到比較好的應(yīng)用，在乘用車方面我們推薦采用菊花鏈的結(jié)構(gòu)，可以獲得比較高的、緊湊的、集成度比較高的設(shè)計(jì)，以及在成本方面也可以得到有效的控制。

模型開發(fā)和驗(yàn)證在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電池管理系統(tǒng)中，算法復(fù)雜度是非常高的，客戶的需求變化也非常多，有時(shí)候整個(gè)項(xiàng)目也要求比較緊，核心算法和各種應(yīng)用接口程序互相交織，都有各種版本并行。如何保證算法和程序的正確性、穩(wěn)定性，不導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，主要是基于模型的開發(fā)。對(duì)汽車電子這個(gè)領(lǐng)域也是比較成熟的模式，現(xiàn)在主要就是遵循，就是從整個(gè)系統(tǒng)功能定義開始，都要形成逐級(jí)標(biāo)準(zhǔn)流程的驗(yàn)證和校核，在自動(dòng)代碼生成和實(shí)時(shí)仿真的過程當(dāng)中對(duì)整個(gè)算法進(jìn)行校驗(yàn)。對(duì)于最新的模型開發(fā)來說，還要滿足像功能安全、ASPICE的要求，以及像AutoSAR軟件程序的架構(gòu)。

簡(jiǎn)單來說，也就是對(duì)于整個(gè)模型開發(fā)的過程，從系統(tǒng)需求分析開始，軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及到軟件建模、自動(dòng)代碼生成的時(shí)候，每個(gè)都要對(duì)應(yīng)相應(yīng)的測(cè)試過程。這些測(cè)試過程可以通過標(biāo)準(zhǔn)的工具來輔助實(shí)現(xiàn)，比如比較流行的dSPACE的工具、ETAS的測(cè)試工具。在單元測(cè)試、軟件模塊測(cè)試方面，像類似標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)軟件對(duì)軟件覆蓋率，對(duì)軟件的故障方面也都有很好的解決效果。在自動(dòng)代碼生成方面，比如像模型的單元測(cè)試、定點(diǎn)化，以及定點(diǎn)化的校驗(yàn)過程中，像dSPACE等都是不錯(cuò)的的工具。在整個(gè)建模過程當(dāng)中，對(duì)于算法的結(jié)構(gòu)來說和底層的架構(gòu)，通過AutoSAR、RTE的標(biāo)準(zhǔn)接口形成這么一個(gè)結(jié)構(gòu)。底層的基礎(chǔ)軟件和AutoSAR的結(jié)構(gòu)也可以通過第三方的軟件做支持，比較有名的比如像EB提供的解決方案等等都能夠提供類似底層，這塊通過軟件對(duì)Autosar架構(gòu)的生成，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池管理系統(tǒng)軟件的架構(gòu)，滿足Autosar架構(gòu)。也就是說現(xiàn)在整個(gè)復(fù)雜的算法，經(jīng)過整個(gè)基于模型的開發(fā)過程，會(huì)有詳細(xì)的一系列流程，包括在建模仿真階段的驗(yàn)證，一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的集合和規(guī)范的建模，以及在模型測(cè)試階段進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)模型靜態(tài)測(cè)試、代碼規(guī)范的檢查、動(dòng)態(tài)代碼的覆蓋率都集成了一系列體系的開發(fā)工具。

在代碼生成階段主要是定點(diǎn)化過程產(chǎn)生的差異，需要進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)，最終通過HIL來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)算法安全的驗(yàn)證。這個(gè)軟件層次架構(gòu)上，從整個(gè)芯片抽象層，一直到模型接口形成一系列的集成化開發(fā)環(huán)境。在自動(dòng)編碼生成、編譯、鏈接、加密的過程中也實(shí)現(xiàn)了自己獨(dú)特的、按照標(biāo)準(zhǔn)要求的過程。在這個(gè)過程當(dāng)中，三個(gè)核之間的程序和算法都是可以獨(dú)立測(cè)試、驗(yàn)證和下載。這個(gè)過程中會(huì)對(duì)每個(gè)算法進(jìn)行加密。在這個(gè)過程當(dāng)中，像我們一貫要求的，MIL、SIL、PIL、HIL都是保證整個(gè)開發(fā)過程的安全性的必要過程。這一塊，也可以通過第三方的工具來快速實(shí)現(xiàn)自己的開發(fā)架構(gòu)。

最后，整個(gè)HIL是對(duì)整個(gè)算法最終測(cè)試的最重要的工具，對(duì)HIL來說，需要有比較復(fù)雜的系統(tǒng)來模擬整個(gè)電池系統(tǒng)，比如德國(guó)的設(shè)備，能夠模擬出所有的電池單體，也模擬出電流、電壓，以及絕緣電阻溫度等各種特性。在這塊來說，主要的難點(diǎn)是電池的建模，需要對(duì)電池，不管是從材料、電化學(xué)、物理特性還是熱傳遞等方面，模型建得越準(zhǔn)確，對(duì)電池管理系統(tǒng)的測(cè)試就會(huì)越全面。

我們只有基于模型的開發(fā)，滿足ISO26262和ASPICE安全的要求，在AutoSAR的架構(gòu)下，有完整的架構(gòu)體系才能夠滿足我們電池管理系統(tǒng)軟件這方面的可靠性和質(zhì)量的開發(fā)。

總結(jié)

對(duì)于汽車電子方面的進(jìn)步，對(duì)電池管理系統(tǒng)推動(dòng)的一些綜述，首先是先進(jìn)傳感器的技術(shù)會(huì)帶來電池管理系統(tǒng)在電池監(jiān)控、測(cè)量方面的進(jìn)步，尤其是在熱失控、高壓安全、電池安全等等方面。隨著模型算法的復(fù)雜度增加，未來采用LockStep多核處理器是一個(gè)必然的趨勢(shì)，新型總線的技術(shù)，包括CANFD和菊花鏈對(duì)提高電池管理系統(tǒng)架構(gòu)上是有很大的幫助?；谄囯娮拥臉?biāo)準(zhǔn)，基于模型的開發(fā)流程是保證電池管理系統(tǒng)軟件可靠性，保證算法的穩(wěn)定性、正確性的有效方法。這些先進(jìn)汽車電子技術(shù)在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效提高電池管理系統(tǒng)的功能安全性、算法的先進(jìn)性和系統(tǒng)的可靠性。