基于ST L9963的电动汽车电池管理(BMS)系统方案

在全球一阵新能源载具发展的当下，锂电池电动车成为目前最主流的发展方向，在锂电池电动车技术当中，除了如何有效地提升马达功率与效率以外，电池的能源管理是相当重要的一环

汽车电池管理系统（BMS）必须能够满足关键功能，例如电压，温度和电流监控，电池充电状态（SoC）以及锂离子（Li-ion）电池的电池平衡。

实际上，电动汽车电池管理系统的主要功能是：

电池保护，以防止在其安全操作区域之外进行操作。通过估计充电和放电期间的电池组充电状态（SoC）和健康状态（SoH）来监视电池。电池优化可通过电池平衡来延长电池寿命和容量，从而优化混合动力（HEV），插电式（PHEV）和全电动汽车（BEV）的行驶里程。

适用于您的汽车BMS设计的新型高度集成的解决方案，意法半导体针对汽车应用的电池管理系统解决方案专为满足所有这些苛刻的设计要求而设计。基于新的高度集成的电池管理IC L9963及其配套的隔离式收发器L9963T，我们的解决方案能够以单菊轮链或双向菊轮链配置提供多达14个串联电池的最高精度测量，并嵌入复杂的电池 监视和诊断功能。 它还符合严格的汽车安全完整性等级（ASIL）D要求。

EVAL-L9963-MCU是用于电池管理应用汽车芯片L9963的硬件工具。 它可用于开发48 V电池管理系统（BMS）或作为分布式BMS的下级（取决于总电池电压。由于EVAL-L9963-NDS而可增加其他级）。

EVAL-L9963-MCU允许用户连接多达14个通道用于电池电压感测，一个通道用于电流感测以及多达4个模拟输入用于温度感测（以及额外的板载NTC来感测PCB温度）。 该板为板载微控制器提供了预加载的GUI固件，旨在与STSW-L9963 PC图形用户界面一起使用。

同时监测数值以数位讯号方式输出，较过往还需要经过一段类比转数位讯号的模式，能改善电池同步问题，并且能够管理最多 7 个外部温度感测器，严密管控电池温度避免过热。

L9963是用于高可靠性汽车应用和储能系统的锂离子电池监视和保护芯片。最多可以监视14个堆叠的电池，以满足48 V和更高电压系统的要求。每个电池电压以及芯片上库仑计数的电流都可以高精度测量。该设备最多可以监视7个NTC。信息通过SPI通信或隔离接口传输。

多个L9963可以菊花链daisy chain形式连接，并通过变压器隔离的接口与一个主机处理器通信，具有高速，低EMI，远距离和可靠的数据传输的特点。在正常和低功耗模式下均提供带有可编程通道选择。可以根据内部计时器中断自动终止平衡。集成了九个GPIO，用于外部监视和控制。 L9963具有一套全面的故障检测和通知功能，可以满足安全标准的要求。

此外 L9963 也符合 ISO 26262 标准的 ASIL-D ，内建车用安全性之综合故障侦测与通知功能，还具备 SPI 界面与能够建立多个 L9963 高速通讯用的 2.66Mbps 垂直通讯界面，此 21.66Mbps 垂直通讯界面能使 8 颗芯片对高达 96 个电池元件进行讯号转换与读取，且操作时间低于 4ms ，并可结合各类变压器或电容性电隔离组合。
 
L9963 的设计允许热插拔操作，这也意谓可省却外接用于保护电池管理系统的齐纳二极体，传统设计由于不允许热插拔，使得电池不可关机，故须搭配齐纳二极体进行保护，这也意味着 L9963 能减少使用这类二极体的成本。

L9963 主要特色如下:

· 符合AEC-Q100
· 串联测量4至14个电池，采样之间的同步延迟为0 us。还支持母线连接，而不会改变电池的结果
· 库仑计数器在点火开关处于打开和关闭状态时都支持电池组过电流检测。完全同步的电流和电压样本
· 16位电压测量，在整个工作温度范围内，在[1.7 – 4.7] V范围内的最大误差为±2 mV
· 具有再生缓冲区的2.66 Mbps隔离串行通信，支持双访问环。链中第一个和第15个器件开始转换之间的延迟小于2 µs。少于4 ms，即可在使用8个L9963的系统中转换和读取96个单元。支持基于变压器和电容的隔离
· 在正常和静音平衡模式下，每个电池的无源内部平衡电流为200 mA。可以执行循环唤醒测量。手动/定时平衡，同时在多个通道上；内部/外部平衡
· 完全精简的电池测量路径，带有ADC交换功能，可增强安全性和简化
· 提供自动故障验证的智能诊断程序。通过SPI全局状态字（GSW）和专用故障线进行故障通知
· 两个5 V稳压器支持具有25 mA（VCOM）和50 mA（VTREF）电流能力的外部负载连接
· 9个GPIO，最多7个模拟输入用于NTC检测
· 强大的热插拔性能。无需与每个单元并联的齐纳二极管
· 完全符合ISO26262标准，ASIL-D系统就绪
· TQFP64EP封装

此外 L9963 也符合 ISO 26262 标准的 ASIL-D ，内建车用安全性之综合故障侦测与通知功能，还具备 SPI 界面与能够建立多个 L9963 高速通讯用的 2.66Mbps 垂直通讯界面，此 21.66Mbps 垂直通讯界面能使 8 颗芯片对高达 96 个电池元件进行讯号转换与读取，且操作时间低于 4ms ，并可结合各类变压器或电容性电隔离组合。

另外， L9963 的设计允许热插拔操作，这也意谓可省却外接用于保护电池管理系统的齐纳二极体，传统设计由于不允许热插拔，使得电池不可关机，故须搭配齐纳二极体进行保护，这也意味着 L9963 能减少使用这类二极体的成本。
上面搭配的符合车规的 32 bit MCU SPC574Sx是基于Power Architecture嵌入式类别构建的下一代微控制器系列。

SPC574Sx系列32位微控制器是集成汽车应用控制器中的最新成果。 它属于以汽车为中心的扩展产品家族，旨在解决汽车内下一轮底盘和安全电子应用的浪潮。 该汽车控制器系列的先进且经济高效的主处理器内核符合Power Architecture嵌入式类别，并且仅实现了VLE（可变长度编码）APU，从而提高了代码密度。 它以高达140 MHz的速度运行，并提供针对低功耗进行了优化的高性能处理。 它利用了当前Power Architecture设备的可用开发基础架构，并由软件驱动程序，操作系统和配置代码支持，以协助用户实施。

主要功能如下

· 符合AEC-Q100
· 高性能e200z4d双核
· 32位Power Architecture技术的CPU
· 核心频率高达140 MHz
· 双发行5级管道有序执行核心
· 可变长度编码（VLE）
· 核心MPU
· 浮点，端到端纠错
· 8 KB指令缓存，带有错误检测代码
· 32 KB本地数据RAM和4 KB数据高速缓存以及8 KB指令高速缓存
· 1600 KB（1.5 MB代码+ 64 KB数据）片上闪存：支持在编程和擦除操作期间进行读取，以及多个模块，允许EEPROM仿真
· 128 KB片内RAM（96 KB片内RAM + 32 KB本地数据RAM）
· 具有32个通道的多通道直接内存访问控制器（eDMA）
· 全面的新一代ASILD安全概念
· ASILD SEooC方法（安全元素脱离上下文）
· FCCU用于收集和响应故障通知
· 内存错误管理单元（MEMU），用于收集和报告内存中的错误事件
· 端到端纠错码（e2eECC）逻辑
· 循环冗馀校验（CRC）单元
· 8个增强型12位SAR模拟转换器
· 2组：3个ADC和一个主管ADC
· 在12 MHz下1.5 µs的转换时间
· 多达32个物理通道
· 双可编程CTU
· 4个通用eTimer单元（每个6通道）
· 4个FlexPWM单元
· 2个（每个4个通道）用于电机控制，控制系统之间进行硬件同步
· 2个（每个2个通道）用于SWG仿真
· 通讯接口
· 4个LINFlexD模块
· 4个串行串行外围设备接口（DSPI）模块
· 2个具有高级共享内存方案的MCAN接口（对于MCAN0为808 x 32位字，对于MCAN1为520 x 32位字）和CAN-FD支持
· 1个具有2个通道，128个消息缓冲区的FlexRay模块
· 2个SENT接口（每个3个通道）
· 双锁相环，外设具有稳定的时钟域，计算外壳具有FM调制域
· Nexus Class 3调试和跟踪界面
· 带有BAF的片上CAN / UART引导程序加载器。物理接口（PHY）可以是UART
· 先进而灵活的供应方案
· 片上稳压器，用于1.2 V内核逻辑电源。支持旁路模式，用于外部1.2 V内核逻辑电源
· 3.3 V或5 V IO和ADC电源（提供2个独立的电源域）
· 结温范围-40°C至150°C
方案已提供一个图形用户界面（GUI）可以MCU内建的程式沟通做方便快速的电池调校!主要功能有
· 可调校L9963最多15个节点
· 完全同步的电流和电压电池测量
· 有库仑计数器
· 允许控制所有L9963功能，例如平衡和温度测量
· L9963配置的高级功能
· 完整的诊断监控
· L9963的内部寄存器控制
· 数据记录和数据导出

如要做更深入的MCU程式编辑 

开发环境也是功能强大又齐全

以软体商Siener 为例的的开发功能界面如下图

► 场景应用图

► 产品实体图

► 展示版照片

► 方案方块图

► 核心技术优势

@符合AEC-Q100 @没有同步延迟为0 us
@先进的诊断功能还允许在充电和放电操作期间监视系统的健康状态（SoH）。
@使用8个L9963的系统中转换和读取96个单元少于4 ms。
@基于变压器和电容的隔离
@可以执行循环唤醒测量。手动/定时平衡，带有ADC交换功能，可增强安全性和简化的功能
@提供自动故障验证的智能诊断程序。
@两个5 V稳压器，支持具有25 mA（VCOM）和50 mA（VTREF）电流能力的外部负载连接
@最多7个输入用于NTC检测
@热插拔性能。无需与每个单元并联的齐纳二极管 @完全符合ISO26262标准，ASIL-D系统就绪

► 方案规格

• 用于软体开发的外部MCU的引脚连接器
• 串联测量4至14个电池，失步延迟为0 us, 支持busbar连接，不会改变电池结果!
• 点火开, 关都以库仑计数器(Coulomb counter)方式的电池组过电流检测
• 完全同步的电流和电压
• 16位电压测量
• 具有再生缓冲区的2.66 Mbps隔离串行通信，支援 双接入环(dual access ring), 链中第一个和第15个器件开始转换之间的延迟小于2 µs。
• 基于变压器的隔离
• 多达4个用于NTC热敏电阻感测输入，以及PCB温度感测
• 板载L9001稳压器电源
• 16位电压测量，在整个工作温度范围内，在[1.7 – 4.7] V范围内的最大误差为±2 mV
• 在正常和静音平衡模式下，每个电池的无源内部平衡电流为200 mA