与英飞凌和伊特龙科技公司共同探索下一代人工智能电池管理系统

导言

现代电动汽车（EV）架构的设计注重细节，同时采用 400-V 和 800-V 系统，以满足不同的性能和效率要求。这些系统的核心是电池组，它是一种复杂的电化学电池排列，用于存储和释放电能，为电动汽车的推进和续航能力提供动力源。

电池基础知识

在最基本的层面上，将电池组分解为电池单元，就可以看到这些基本的电化学单元是如何存储和释放电能的。多个串联的电池单元组装成一个单元，形成一个模块，作为能量存储的中间层。最后，多个模块通常以串联方式连接起来，形成一个完整的电池组。所选择的电池组配置与电动汽车的具体能量（千瓦时）和功率（千瓦）要求相匹配。电池组的总容量（安培小时，Ah）是并联电池数量的函数，而电池组的总电压则由串联的模块决定。图 1 直观地展示了这一概念。

图 1 - 现代电动汽车从电池到模块再到电池组的电池连接概览。

单个电池的化学成分、容量和电压各不相同。如图 1 所示，将这些电池并联起来，综合容量（Ah）就会增加，从而在保持相同电压水平的情况下提供更高的能量储备。这种配置有利于通过增加总可用安培小时数来延长电动汽车的运行范围。

伊特龙科技公司采用叠加超级电池模型方法（图 2）来有效管理电池组配置。这种方法将一组并联电池视为单一实体--超级电池，从而简化了复杂的结构。Eatron 使用超级电池模型可以详细了解每个超级电池的状态，并实现人工智能功能。

图 2 - 集合超级电池概念。

电池管理系统基础知识

先进的电池管理系统（BMS）可监控电池组的状态、温度和健康状况，以优化性能和使用寿命。BMS 可确保电池组中的每个电池都在安全、高效的工作窗口内运行，并在充电和放电循环过程中平衡电池，以保持电池组的整体健康状态。下图 3 是基于英飞凌硬件的电池管理系统的简化概览。

图 3 - BMS 解决方案的简化框图。

在这次概念验证中，Neutron Control 公司基于 ECU8 的演示器被用作开发的硬件参考平台。部分组件介绍如下。

AURIX™ TC4x微控制器（MCU）集成了并行处理单元（PPU）和通用汽车接口（如CAN、LIN、以太网等），为先进的BMS解决方案提供了最佳的计算、外设和安全支持。AURIX™ TC4x 的集成并行处理单元（PPU）硬件加速器可实现基于边缘的典型电化学 PP-p2D 电池模型和神经网络的实时执行，与 TriCore™ 标量实现相比，加速系数高达约 20 倍。它解决了传统 MCU 面临的可扩展性和计算挑战，实现了复杂人工智能算法的实时、高效并行处理和执行。该 MCU 符合 ISO 26262 的 ASIL-D 标准，并通过了 ISO 21434 安全特性认证，是当前和未来 BMS 实施的最佳解决方案。

TLE9012DQU 是一款多通道（最多 12 节串联）电池监控和平衡 IC，具有四种主要功能：电池电压测量、温度测量、电池平衡以及与主电池控制器的隔离通信。该器件在嘈杂条件下具有同类最佳的应用可靠性和鲁棒性，精度高（25°C 时为 ±0.2 mV，包括焊接漂移），并具有高达 ASIL-D 级的 ISO 26262 安全元件（SEooC）能力，所有这些都是 BMS 环境的理想特性。TLE9012DQU 配备独立的 16 位 delta sigma 模数转换器 (ADC)，可对每个电池进行同步测量，从而最大限度地提高电池性能，确保电池安全运行。集成电流源是该 IC 的另一个独特之处，它支持与负温度系数 (NTC) 传感器直接连接。TLE9012DQU 只是多通道电池监测集成电路系列中的一个器件，具有功能升级的可扩展性（例如
TLE9016DQK 或 TLE9018DQK，分别为 16 通道和 18 通道）。

TLE9015DQU 是一款与 TLE9012DQU 共同开发的专用隔离 (iso) UART 通信 IC，可通过电容或电感隔离实现菊花链架构。该器件提供用于与主机微控制器进行串行通信的双 UART 端口和用于电池组内部菊花链通信的双 iso UART 端口。它支持高达 2 Mbit/s 的通信速度，环形模式/拓扑结构只需要菊花链中的一个设备。稳定的电容隔离通信通过各种测试得到证实，可提供最低成本的隔离通信，同时通过环形拓扑结构提供功能冗余。

PSoC™ 4 高压 (HV) 精密模拟 (PA) 器件具有高精度 sigma delta ADC（16-20 位），可为基于人工智能的 BMS 解决方案等高级应用提供精确的电池监测（例如，通过分流器进行电流检测）。可编程片上系统 (PSoC™) MCU 通过与 TLE9012DQU 电池监测和电池平衡 IC 在同一菊花链中通信，支持与其他 BMS 设备同步。此外，PSoC™ 4 HV PA 的可编程性使其能够在单个 IC 中集成更多的功能，包括电池组监控、接触监控、隔离电阻和高温保险丝驱动。

Eatron 的 AI-ISL 软件解决方案与英飞凌的全套 BMS 硬件协同工作，可实现实时高级电池保护和预测性 AI 功能。图 4 显示了一个高压 BMS 软件架构示例，突出显示了 AUTOSAR 环境中 BMS 堆栈的不同组件。在应用软件层中，ISL 软件（绿色突出显示）集成了传统 BMS 功能、硬件抽象基本软件 (BSW) 和运行时环境 (RTE)。

图 4 - 现代 BMS 软件栈概览。