鐵電隨機存儲器F-RAM在動力電池管理上的應用

2020-12-06 電子工程專輯

隨著電動汽車技術的發展，以及政府的政策鼓勵與扶持，電動汽車（混動+純電動）以每年超過50%的速度高速增長，電池以及電池管理系統作為電動汽車的核心組件，其市場需求也獲得相應的快速增長。本文將就電池管理系統對存儲器的需求進行分析。xccEETC-電子工程專輯

電池管理系統（Battery Management System, 即BMS）主要實現三大核心功能：電池充放電狀態的預測和計算（即SOC）、單體電池的均衡管理，以及電池健康狀態日誌記錄與診斷。功能框圖如下：xccEETC-電子工程專輯

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在整個電池管理系統中，電池荷電狀態的預測和計算（即SOC）是其最重要的功能，因為有了精確的電池充電/放電狀態的預測/計算，才能進行有效均衡管理。所以，SOC精準度的要求是越高越好。xccEETC-電子工程專輯

為了提高SOC的精準度，除了要採集電池的電壓、電流參數，還需要提供諸如阻抗、溫度、環境溫度、充放電時間等多種參數。電池固有參數會通過數學建模的方式，建立軟體模型，而動態參數則通過數據採集卡實時的採集數據，並實時地把數據傳輸至MCU單元存儲，然後MCU對提取的數據進行算法計算，從而得出精確的電池荷電狀態。xccEETC-電子工程專輯

因此，SOC功能會將不同電池的模型存入存儲器，該存儲器需具有低功耗、快速讀寫、接口簡單以及數據保持時間達到20年的要求；SOC功能需要採集卡不停地實時將採集的電池電壓/電流數據存入存儲器，假如一個MCU單元，對接10路單體電池的採集數據，採集數據卡一般會採用1MB的isoSPI總線進行通信，即對於MCU單元的存儲器，接口速率要求高且幾乎每秒中都要進行一次數據寫操作；而電池的壽命要求至少是10年，假如一臺車運行時間是8小時，那麼MCU單元的存儲器的數據寫操作在電池包生命周期內的寫次數為1億5百萬次。xccEETC-電子工程專輯

綜上分析可見，BMS裡面的SOC功能非常關鍵，所以其對存儲器的性能與可靠性也是非常高：必須是非易失性的存儲器，擦寫次數至少要超過1.1億次，接口速率大於8MHz，低功耗且數據能夠可靠保存20年的時間，需要符合AECQ-100，未來需要通過功能安全認證，至少具有ASILB等級。xccEETC-電子工程專輯

目前主流的非易失性的存儲器有EEPROM、 Flash 以及F-RAM。EEPROM 的接口有SPI接口，速率可以做到10Mhz，但是每次寫都有一個5ms寫等待時間，擦寫次數是1百萬次，功耗中等，有車規級器件，但是目前未做功能安全認證，數據保持能力也可以做到20年。xccEETC-電子工程專輯

Flash的讀寫速度較慢，每次寫操作都必須進行擦寫，因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時間，擦寫次數也只能支持10萬次，遠遠低於1.1億次的要求，數據保持能力在10年到20年之間。xccEETC-電子工程專輯

F-RAM 是通過鐵電這種特殊材料作為存儲介質，其具有高可靠性，數據保持時間為100年，完全隨機不需要寫等待的高讀寫效率，SPI接口速率最高可以支持到50Mhz或108MHz QSPI，並且具有非常低的功耗；由於其特殊的鐵電材質，所以該類型存儲器的擦寫次數可以高達100億次。如下圖所示：xccEETC-電子工程專輯

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如上圖所示，F-RAM作為一款獨特的非易失性存儲器，無論在寫入速度、耐久性還是在功耗與可靠性方面，都是目前實現高可靠性BMS系統的最佳存儲器選擇。xccEETC-電子工程專輯

美國賽普拉斯半導體公司（Cypress Semiconductor Inc.）作為全球領先的F-RAM核心供應商，提供非常齊全的鐵電隨機存儲器F-RAM產品，容量由4Kb到8Mb，接口為I2C/SPI 接口，具有幾乎無限次的讀寫次數（100億次讀寫周期），QSPI接口速率高達108Mhz，不需要寫等待時間，工作電流低至0.6mA，是能夠承受125度高溫的汽車級晶片解決方案，並且符合ASIL-B。xccEETC-電子工程專輯

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