基于ST L9963的電動汽車電池管理(BMS)系統方案

在全球一陣新能源載具發展的當下，鋰電池電動車成為目前最主流的發展方向，在鋰電池電動車技術當中，除了如何有效地提升馬達功率與效率以外，電池的能源管理是相當重要的一環

汽車電池管理系統（BMS）必須能夠滿足關鍵功能，例如電壓，溫度和電流監控，電池充電狀態（SoC）以及鋰離子（Li-ion）電池的電池平衡。

實際上，電動汽車電池管理系統的主要功能是：

電池保護，以防止在其安全操作區域之外進行操作。通過估計充電和放電期間的電池組充電狀態（SoC）和健康狀態（SoH）來監視電池。電池優化可通過電池平衡來延長電池壽命和容量，從而優化混合動力（HEV），插電式（PHEV）和全電動汽車（BEV）的行駛里程。

適用于您的汽車BMS設計的新型高度集成的解決方案，意法半導體針對汽車應用的電池管理系統解決方案專為滿足所有這些苛刻的設計要求而設計?；谛碌母叨燃傻碾姵毓芾鞩C L9963及其配套的隔離式收發器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14個串聯電池的最高精度測量，并嵌入復雜的電池 監視和診斷功能。 它還符合嚴格的汽車安全完整性等級（ASIL）D要求。

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

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

同時監測數值以數位訊號方式輸出，較過往還需要經過一段類比轉數位訊號的模式，能改善電池同步問題，并且能夠管理最多 7 個外部溫度感測器，嚴密管控電池溫度避免過熱。

L9963是用于高可靠性汽車應用和儲能系統的鋰離子電池監視和保護芯片。最多可以監視14個堆疊的電池，以滿足48 V和更高電壓系統的要求。每個電池電壓以及芯片上庫侖計數的電流都可以高精度測量。該設備最多可以監視7個NTC。信息通過SPI通信或隔離接口傳輸。

多個L9963可以菊花鏈daisy chain形式連接，并通過變壓器隔離的接口與一個主機處理器通信，具有高速，低EMI，遠距離和可靠的數據傳輸的特點。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炔坑嫊r器中斷自動終止平衡。集成了九個GPIO，用于外部監視和控制。 L9963具有一套全面的故障檢測和通知功能，可以滿足安全標準的要求。

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標準的 ASIL-D ，內建車用安全性之綜合故障偵測與通知功能，還具備 SPI 界面與能夠建立多個 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 顆芯片對高達 96 個電池元件進行訊號轉換與讀取，且操作時間低于 4ms ，并可結合各類變壓器或電容性電隔離組合。

 L9963 的設計允許熱插拔操作，這也意謂可省卻外接用于保護電池管理系統的齊納二極體，傳統設計由于不允許熱插拔，使得電池不可關機，故須搭配齊納二極體進行保護，這也意味著 L9963 能減少使用這類二極體的成本。

L9963 主要特色如下:

· 符合AEC-Q100

· 串聯測量4至14個電池，采樣之間的同步延遲為0 us。還支持母線連接，而不會改變電池的結果

· 庫侖計數器在點火開關處于打開和關閉狀態時都支持電池組過電流檢測。完全同步的電流和電壓樣本

· 16位電壓測量，在整個工作溫度范圍內，在[1.7 – 4.7] V范圍內的最大誤差為±2 mV

· 具有再生緩沖區的2.66 Mbps隔離串行通信，支持雙訪問環。鏈中第一個和第15個器件開始轉換之間的延遲小于2 μs。少于4 ms，即可在使用8個L9963的系統中轉換和讀取96個單元。支持基于變壓器和電容的隔離

· 在正常和靜音平衡模式下，每個電池的無源內部平衡電流為200 mA?？梢詧绦醒h喚醒測量。手動/定時平衡，同時在多個通道上；內部/外部平衡

· 完全精簡的電池測量路徑，帶有ADC交換功能，可增強安全性和簡化

· 提供自動故障驗證的智能診斷程序。通過SPI全局狀態字（GSW）和專用故障線進行故障通知

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

· 9個GPIO，最多7個模擬輸入用于NTC檢測

· 強大的熱插拔性能。無需與每個單元并聯的齊納二極管

· 完全符合ISO26262標準，ASIL-D系統就緒

· TQFP64EP封裝

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標準的 ASIL-D ，內建車用安全性之綜合故障偵測與通知功能，還具備 SPI 界面與能夠建立多個 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 顆芯片對高達 96 個電池元件進行訊號轉換與讀取，且操作時間低于 4ms ，并可結合各類變壓器或電容性電隔離組合。

另外， L9963 的設計允許熱插拔操作，這也意謂可省卻外接用于保護電池管理系統的齊納二極體，傳統設計由于不允許熱插拔，使得電池不可關機，故須搭配齊納二極體進行保護，這也意味著 L9963 能減少使用這類二極體的成本。
上面搭配的符合車規的 32 bit MCU SPC574Sx是基于Power Architecture嵌入式類別構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應用控制器中的最新成果。 它屬于以汽車為中心的擴展產品家族，旨在解決汽車內下一輪底盤和安全電子應用的浪潮。 該汽車控制器系列的先進且經濟高效的主處理器內核符合Power Architecture嵌入式類別，并且僅實現了VLE（可變長度編碼）APU，從而提高了代碼密度。 它以高達140 MHz的速度運行，并提供針對低功耗進行了優化的高性能處理。 它利用了當前Power Architecture設備的可用開發基礎架構，并由軟件驅動程序，操作系統和配置代碼支持，以協助用戶實施。

主要功能如下

· 符合AEC-Q100

· 高性能e200z4d雙核

· 32位Power Architecture技術的CPU

· 核心頻率高達140 MHz

· 雙發行5級管道有序執行核心

· 可變長度編碼（VLE）

· 核心MPU

· 浮點，端到端糾錯

· 8 KB指令緩存，帶有錯誤檢測代碼

· 32 KB本地數據RAM和4 KB數據高速緩存以及8 KB指令高速緩存

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

· 128 KB片內RAM（96 KB片內RAM + 32 KB本地數據RAM）

· 具有32個通道的多通道直接內存訪問控制器（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用于收集和響應故障通知

· 內存錯誤管理單元（MEMU），用于收集和報告內存中的錯誤事件

· 端到端糾錯碼（e2eECC）邏輯

· 循環冗馀校驗（CRC）單元

· 8個增強型12位SAR模擬轉換器

· 2組：3個ADC和一個主管ADC

· 在12 MHz下1.5 μs的轉換時間

· 多達32個物理通道

· 雙可編程CTU

· 4個通用eTimer單元（每個6通道）

· 4個FlexPWM單元

· 2個（每個4個通道）用于電機控制，控制系統之間進行硬件同步

· 2個（每個2個通道）用于SWG仿真

· 通訊接口

· 4個LINFlexD模塊

· 4個串行串行外圍設備接口（DSPI）模塊

· 2個具有高級共享內存方案的MCAN接口（對于MCAN0為808 x 32位字，對于MCAN1為520 x 32位字）和CAN-FD支持

· 1個具有2個通道，128個消息緩沖區的FlexRay模塊

· 2個SENT接口（每個3個通道）

· 雙鎖相環，外設具有穩定的時鐘域，計算外殼具有FM調制域

· Nexus Class 3調試和跟蹤界面

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

· 先進而靈活的供應方案

· 片上穩壓器，用于1.2 V內核邏輯電源。支持旁路模式，用于外部1.2 V內核邏輯電源

· 3.3 V或5 V IO和ADC電源（提供2個獨立的電源域）

· 結溫范圍-40°C至150°C
方案已提供一個圖形用戶界面（GUI）可以MCU內建的程式溝通做方便快速的電池調校!主要功能有

· 可調校L9963最多15個節點

· 完全同步的電流和電壓電池測量

· 有庫侖計數器

· 允許控制所有L9963功能，例如平衡和溫度測量

· L9963配置的高級功能

· 完整的診斷監控

· L9963的內部寄存器控制

· 數據記錄和數據導出

如要做更深入的MCU程式編輯 

開發環境也是功能強大又齊全

以軟體商Siener 為例的的開發功能界面如下圖

? 場景應用圖

? 產品實體圖

? 展示版照片

? 方案方塊圖

? 核心技術優勢

@符合AEC-Q100 @沒有同步延遲為0 us

@先進的診斷功能還允許在充電和放電操作期間監視系統的健康狀態（SoH）。

@使用8個L9963的系統中轉換和讀取96個單元少于4 ms。

@基于變壓器和電容的隔離

@可以執行循環喚醒測量。手動/定時平衡，帶有ADC交換功能，可增強安全性和簡化的功能

@提供自動故障驗證的智能診斷程序。

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

@最多7個輸入用于NTC檢測

@熱插拔性能。無需與每個單元并聯的齊納二極管 @完全符合ISO26262標準，ASIL-D系統就緒

? 方案規格

? 用于軟體開發的外部MCU的引腳連接器

? 串聯測量4至14個電池，失步延遲為0 us, 支持busbar連接，不會改變電池結果!

? 點火開, 關都以庫侖計數器(Coulomb counter)方式的電池組過電流檢測

? 完全同步的電流和電壓

? 16位電壓測量

? 具有再生緩沖區的2.66 Mbps隔離串行通信，支援 雙接入環(dual access ring), 鏈中第一個和第15個器件開始轉換之間的延遲小于2 μs。

? 基于變壓器的隔離

? 多達4個用于NTC熱敏電阻感測輸入，以及PCB溫度感測

? 板載L9001穩壓器電源

? 16位電壓測量，在整個工作溫度范圍內，在[1.7 – 4.7] V范圍內的最大誤差為±2 mV

? 在正常和靜音平衡模式下，每個電池的無源內部平衡電流為200 mA