NESY058 January 2024 BQ79731-Q1 , DRV3901-Q1 , DRV3946-Q1 , TPSI2140-Q1 , TPSI3050-Q1
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由於消費者對安全性、便利性和個性化體驗的期望不斷提升,現代車輛正經歷以軟體為中心的轉型。就如智慧型手機重新定義了行動電話的角色和意義,軟體定義車輛重新定義了汽車的硬體架構,提供駕駛員車內所需功能的靈活性。
汽車製造商發現有機會能重新設計汽車的硬體和軟體架構。軟體定義車輛影響到車內各個子系統,從轉向動力系統網域控制和區域控制架構,到設計更智慧化的系統和減少 MCU 數量,全都透過更智慧的半導體技術實現。
電池管理系統創新如何提升 EV 採用率檢視電池管理系統 (BMS) 架構與重要子系統。我們將深入探討轉向軟體定義車輛的趨勢如何影響 HEV 和 EV 中的 BMS。
Dag Grini
Issac Hsu
Jordan Jennifer
Bryan Marshall
Mike Pienovi
Andreas Schaefer
隨著車輛架構朝更集中處理與更智慧的系統趨勢發展,這些系統中的半導體技術也必須不斷進化。本文件檢視改變混合動力電動車 (HEV) 與 EV 動力傳動架構的趨勢,以及電池管理系統 (BMS) 技術如何轉變為支援更安全、更智慧的車輛需求。
1 革新動力傳動系統技術,實現網域和區域控制 | 了解轉向網域和區域架構的轉變,以及其對系統設計和半導體技術的影響。 |
2 實現 BMS 內智慧功能的技術:MCU | 了解轉向更安全、更智慧的 BMS,如何革新 MCU 技術、通訊介面和電池接線盒設計。 |
3 數位分身、機器學習和車隊管理 | 了解如何應用機器學習演算法推動智能電池數位分身等趨勢。 |
過去設計人員在車輛設計中新增 MCU,其感測器或致動器需要更多智慧功能,因此需要更複雜的控制或通訊。然而,結合不同車輛平台內的額外選項複雜性,會導致複雜的車輛系統特性、大量開發心力和極具挑戰性的維修。例如,無線更新需要針對所有配置進行測試,大量增加流程的時間和複雜性。
為了解決複雜性、重量和成本方面的挑戰,產生了網域和區域控制架構的概念。請了解這些不同架構對車輛中的子系統有何需求。
在網域架構中,每個網域會根據相關功能累積特定電子控制單元 (ECU)。舉例來說,車載充電器、DC/DC 轉換器、牽引逆變器和 BMS 會包含 HEV/EV 控制領域,並共用單一集中式 MCU,如圖 1 所示。如此可減少分散式 MCU 數量,將各種功能就近配置,達到簡化介面的效果,並將相同功能集中在單一 MCU 以共用運算資源。例如,OBC 和逆變器的運作時間不同,並且會共享運算容量。
區域架構進一步改良網域控制,將功能分類至不同的區域,並由 MCU 根據車輛中的位置進行控制,如 圖 1 所示。各個區域透過高頻寬通訊骨幹連接,因為區域之間的分散式感測器和致動器需要及時通訊。區域架構可減少所需的 MCU 數量,同時降低線束複雜性及重量,進一步節省成本並增加行駛距離。硬體和軟體更新週期是分離的,汽車製造商可以轉向服務型的軟體結構。
雖然網域和區域架構有不同的優點與挑戰,但這些架構也可在跨界架構中共存。例如,BMS 可採用網域控制方式,而同時自動駕駛輔助系統 (ADAS) 可採用區域控制方式。通常會先處理功能安全與系統靈活性的特定應用挑戰,再將動力傳動系統轉為網域或區域控制架構。根據原先的原則盡可能集中 MCU 功能,意味著 BMS 必須透過精密或標準化介面進行通訊,且邊緣無 MCU 智慧功能。這類實作形式可達成減少 MCU 數量的目標。
然而,這種方法伴隨著技術挑戰:電池芯與電池組高電壓晶片組數據 (電壓、電流和溫度讀數及相關安全措施) 將會以原始數據的形式傳輸。由於故障偵測時間間隔、故障反應時間間隔和安全狀態都經過嚴格定義,因此介面可用頻寬需要密切觀察與最佳化,而區域或網域控制 MCU 則需要在指定時間間隔內以極短的時隙進行處理。圖 3 比較 BMS 中的嵌入式系統架構。
為高電壓晶片組配備更多智慧功能,或在 BMS 邊緣 (例如智能電池接線盒) 增加更小型的安全 MCU,都可簡化這樣的挑戰。藉由在本機處理功能安全措施,除了任務外的數據都不會在 BMS 內部傳輸 – 邊緣的本機安全 MCU 會將本機取得的 OK/nOK 數據傳輸至集中式 MCU,而非底層的原始數據,進而大幅減少時序和頻寬挑戰。
儘管這種方法與減少 MCU 數量的最初意圖相矛盾,但卻帶來了更多優勢。本機 MCU 可實現控制器區域網路靈活數據速率 (CAN-FD) 或乙太網路 10BASE-T1S 等標準化介面,進一步引進統一的抽象層,幫助實現電池組多源採購,以及跨車輛、跨平台與跨世代相容性。
現在就讓我們來討論 BMS 內可支援這些架構,並實現更智慧化的系統的幾項技術。