NXP基于ISO26262的动力电池BMS解决方案

引言

　　在汽车行业，提高安全性永远是不变的科技趋势。电池管理系统BMS引入汽车电子行业标准ISO26262，有助于规范产品质量体系，推动行业健康发展。

BMS简介

　　BMS即Battery Management System，电池管理系统，作为新能源汽车“三电”核心技术之一，BMS在HEV/EV上扮演重要作用。广义上，BMS包含传统的12/24V铅酸电池管理，这里讨论的BMS主要是针对HEV/EV的动力电池管理，从48V的弱混动到500V以上的全电动，恩智浦的BMS解决方案都可以覆盖。一般来说，BMS由一个主控单元和多个从控单元组成，从控单元直接连接电池包（Battery Pack），采集电池的电压、电流和温度等，主控单元通过CAN总线或Daisy Chain（菊花链）通信等方式管理多个从控单元。

　　按照新能源汽车对电池管理的需求，BMS具备的功能包括:

　　SOC/SOH估算：SOC即电池荷电状态，用于衡量电池剩余电量，对于判断汽车可行驶里程十分重要。

　　故障诊断：故障诊断用于判断电池的当前状态，及时正确识别电池充放电过程中的过压、欠压、过温等异常情况有助于避免事故发生。

　　均衡控制：均衡控制主要是消除单体电池之间的容量差异，达到一致性，延长电池使用寿命。

热管理和充电管理等

　　BMS基本架构如图1所示：

图1电池管理系统BMS架构

　　随着汽车电子软硬件复杂性提高，来自系统失效和随机硬件失效的风险日益增加，随着汽车电子行业标准ISO26262的发布，使得人们对功能安全有了深入的理解，对评估、避免这些风险提供了可靠的流程保证。电池管理BMS引入ISO26262标准，不仅是响应技术趋势的需求，而且确实能为BMS带来质的变化，从长远来看，有利于行业健康发展。

BMS功能安全开发流程简介

　　ISO26262定义的功能安全标准涵盖了产品的管理、开发、生产、经营、服务和报废等阶段，覆盖产品的整个生命周期，产品开发时主要关注的阶段有概念、系统级开发、硬件开发和软件开发等阶段。

　　在功能安全概念阶段要做系统危害分析（Hazard Analysis）和风险评估（Risk Assessment），得出汽车安全完整性等级ASIL（Automotive Safety Integrity Level）。

　　ISO26262标准规定了A到D四个安全等级，其中D级为最高等级，相应的需求最为苛刻。一般而言，主流车厂认为BMS应该需要达到的安全等级至少是ASIL-C。

　　在得出安全等级ASIL后，需要设立安全目标（Safety Goal），并提出相应的安全需求（Safety Requirement）和安全机制（Safety Mechanism），并在必要的时候做功能安全等级分解。

　　ISO26262给出了三个指标：单点故障指标SPFM，潜在故障指标LFM和随机硬件失效指标PMHF，用于去评估系统的安全性等级。

图2ISO26262安全生命周期

　　例如，在BMS开发过程中，对BMS的危害分析有过压（过充）、欠压、过温和过流等危害事件，如过压可能是一个比较严重的事件，尤其长时间对电池过充会导致电池性能下降和不可恢复性损坏，甚至导致电池变形、漏液情况发生，通过对过充这个事件进行危害分析和风险评估，得出其安全等级是ASIL-C或者ASIL-D（在不同应用场景下分析下得出的安全等级可能不一样），那么系统的安全目标就是BMS应该能及时发现电池过充情况并作出处理，对应地，要从单点失效和潜在失效等方面考虑设计安全机制，最后用前面提到的度量指标进行安全性评估。

恩智浦符合功能安全的BMS解决方案

　　恩智浦提供完整的电池管理系统解决方案，包括微控制器MCU、模拟前端电池控制器IC、隔离网络高速收发器、系统基础芯片SBC等。借助恩智浦的BMS方案，客户可轻易实现基于CAN网络或菊花链的电池管理系统。恩智浦提供多种符合ISO26262标准的器件，主控单元MPC574xP安全等级达到ASIL-D，模拟前端电池控制器MC33771安全等级达到ASIL-C，SBC（System Basic Chip）系统基础芯片FS45/65安全等级达到ASIL-D。采用这套方案可简化软硬件设计，帮助客户轻松实现系统安全等级达到ASIL-C/D。此外，恩智浦提供符合功能安全的参考设计，极大加速客户开发符合ISO26262标准的BMS产品。

图3恩智浦BMS菊花链式解决方案

　　在该方案中，主控单元采用的MPC574xP是一款基于Power architecture、具有lock step核的高性能、高安全性MCU。

　　⊿SBC系统基础芯片FS45/65不仅提供多种可配置的电源选择，而且提供电源监控和众多安全机制，支持fail-safe安全保护模式，MCU搭配SBC系统基础芯片可实现更高的安全等级。

　　⊿模拟前端MC33771负责电池数据的采集，一个MC33771最多可以接14节单体电池，多个MC33771可以级联形成菊花链式通信。

　　⊿MC33664作为MCU和MC33771的传输物理层，负责将SPI信号和差分信号进行转换。

　　恩智浦的BMS解决方案支持多种网络拓扑结构，包括集中式、分布式菊花链结构以及集中式、分布式CAN网络结构。菊花链式网络可显著降低BOM成本，受制于通信距离限制，在目前的大巴车上，目前主要是基于CAN总线通信。恩智浦提供的BMS解决方案具有极大的灵活性，可满足不同客户的需求。

　　鉴于目前国内市场基于ISO26262的开发还处于起步阶段，部分车厂和供应商的功能安全开发经验不足，导致开发符合IS026262标准的BMS难度较大，并且要一下子达到系统级ASIL-C/D，系统开发成本高，挑战性巨大。针对这种情况，恩智浦提供一种具有低成本优势的方案，推荐主控单元MCU采用具有超高性价比的S32K14x，该系列MCU基于ARM Cortex M4内核，按照ISO26262标准设计，结合外部的系统基础芯片FS45/65等，可使系统安全等级达到ASIL-B。另外，单个S32K14x达到ASIL-B等级，通过软硬件冗余设计也能使系统达到更高的安全等级ASIL-C。

图4恩智浦BMS CAN网络解决方案

　　需要指出的是，在恩智浦公司，所有按照ISO26262标准开发的器件，都被囊括在恩智浦的SafeAssure计划里。SafeAssure保证开发的产品符合ISO26262标准，并提供必要的支持，提供功能安全相关的文档，如Safety Manual和FMEDA等，Safety Manual详细阐述了芯片所采用安全机制，并指导用户如何使用芯片可以达到比较高的安全性等级。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和诊断分析等，客户可根据具体应用需求对FMEDA进行裁剪。

恩智浦高性能、高安全性微控制器

　　1.基于Power Architecture的MPC574xP

　　MPC574xP作为MPC5743L的下一代产品，MPC5643L是第一个拿到第三方认证、符合ISO2626标准的MCU，MPC574xP基本继承了MPC5643L的所有特性，并在工艺和性能上有一定提升。

　　MPC574xP具有延迟锁步核（lock step），可运行在200MHz，两个核执行同样的代码，输出结果进行比较，如果发现不匹配，可以触发系统的安全机制，通知用户有异常发生，并作出相应处理。

　　MPC574xP具有很多的安全特性，针对电源和时钟的功能是否正常，内部有专门的监控电路。

　　针对Flash和RAM，有ECC保证读写数据的正确性。针对ADC，有BIST（Build In Self Test）自检电路验证ADC的逻辑。特别要提到的是MPC574xP具有FCCU单元，该单元收集所有其他模块在运行过程中产生的异常事件，并提交给MCU内核做处理。

　　实际上，MPC574xP不仅仅可运用在BMS领域，任何对安全要求很严格的应用都可以采用MPC574xP，如新能源汽车电机控制、EPS（电子助力转向系统）、刹车、安全气囊和汽车底盘应用等。

图5 MPC574xP安全特性

　　2.基于Power Architecture的MPC574xR

　　MPC574xR系列MCU特点与MPC574xP系列类似，安全等级满足ISO26262 ASIL-D，不同的是除了MPC5743R（内部只有锁步核），MPC5745/6R提供了锁步核的同时，还提供了另外一个独立的内核，这个内核可单独运行其他程序，该系列MCU提供了更高的性能。

　　3.基于AMR Cortex M4的S32K14x

　　S32K14x系列MCU提供极强的性价比，同时具有较高的安全等级，满足ISO 26262 ASIL-B。该系列MCU最大运行频率112 MHz，带有SFPU，基于修改的Harvard架构，支持紧密耦合的RAM和4 KB I/D缓存，支持SHE规范的硬件安全引擎，内置48 MHz RC(IRC)振荡器，支持CAN FD，利用FlexIO可仿真通信协议，如SPI、UART等。

　　4.模拟前端电池控制器MC33771

　　MC33771满足ISO2626 ASIL-C，工作电压范围9.6 V≤VPWR≤61.6 V，70 V瞬态电压，支持7-14节电池，7个ADC/IO/温度传感器输入，支持14通道300mA板载被动均衡。

总结

　　⊿功能安全是未来汽车电子行业的趋势，也是恩智浦BMS方案的优势，恩智浦能够提供BMS的全套解决方案，包括高性能、高安全性的微控制器和模拟器件，如基于Power Architecture微控制器MPC574xP和基于ARM Architecture的S32K14x，以及模拟前端电池控制器MC33771。

　　⊿恩智浦提供灵活的方案，支持集中式/分布式的CAN/菊花链网络拓扑结构，能满足不同的应用需求。

　　⊿恩智浦BMS解决方案具有高功能安全性和低成本优势特点，基于MPC574xP的方案可轻松实现系统安全等级ASIL-C/D，基于S32K14x的方案具有极大的成本优势，同时可实现系统安全等级ASIL-B/C。

　　⊿恩智浦BMS解决方案可帮助客户简化功能安全设计，使BMS产品符合ISO26262标准。