F-RAM在動(dòng)力電池管理上的應(yīng)用

　　隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，以及政府的政策鼓勵(lì)與扶持，電動(dòng)汽車（混動(dòng)+純電動(dòng)）以每年超過(guò)50%的速度高速增長(zhǎng)，電池以及電池管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心組件，其市場(chǎng)需求也獲得相應(yīng)的快速增長(zhǎng)。本文將就電池管理系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的需求進(jìn)行分析電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, 即BMS）主要實(shí)現(xiàn)三大核心功能：電池充放電狀態(tài)的預(yù)測(cè)和計(jì)算（即SOC）、單體電池的均衡管理，以及電池健康狀態(tài)日志記錄與診斷。功能框圖如下：

　　在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中，電池荷電狀態(tài)的預(yù)測(cè)和計(jì)算（即SOC）是其最重要的功能，因?yàn)橛辛司_的電池充電/放電狀態(tài)的預(yù)測(cè)/計(jì)算，才能進(jìn)行有效均衡管理。所以，SOC精準(zhǔn)度的要求是越高越好。
　　為了提高SOC的精準(zhǔn)度，除了要采集電池的電壓、電流參數(shù)，還需要提供諸如阻抗、溫度、環(huán)境溫度、充放電時(shí)間等多種參數(shù)。電池固有參數(shù)會(huì)通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式，建立軟件模型，而動(dòng)態(tài)參數(shù)則通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)傳輸至MCU單元存儲(chǔ)，然后MCU對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計(jì)算，從而得出精確的電池荷電狀態(tài)。
　　因此，SOC功能會(huì)將不同電池的模型存入存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器需具有低功耗、快速讀寫、接口簡(jiǎn)單以及數(shù)據(jù)保持時(shí)間達(dá)到20年的要求；SOC功能需要采集卡不停地實(shí)時(shí)將采集的電池電壓/電流數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，假如一個(gè)MCU單元，對(duì)接10路單體電池的采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)卡一般會(huì)采用1MB的isoSPI總線進(jìn)行通信，即對(duì)于MCU單元的存儲(chǔ)器，接口速率要求高且?guī)缀趺棵胫卸家M(jìn)行一次數(shù)據(jù)寫操作；而電池的壽命要求至少是10年，假如一臺(tái)車運(yùn)行時(shí)間是8小時(shí)，那么MCU單元的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫操作在電池包生命周期內(nèi)的寫次數(shù)為1億5百萬(wàn)次。
　　綜上分析可見，BMS里面的SOC功能非常關(guān)鍵，所以其對(duì)存儲(chǔ)器的性能與可靠性也是非常高：必須是非易失性的存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)至少要超過(guò)1.1億次，接口速率大于8MHz，低功耗且數(shù)據(jù)能夠可靠保存20年的時(shí)間，需要符合AECQ-100，未來(lái)需要通過(guò)功能安全認(rèn)證，至少具有ASILB等級(jí)。
　　目前主流的非易失性的存儲(chǔ)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(gè)5ms寫等待時(shí)間，擦寫次數(shù)是1百萬(wàn)次，功耗中等，有車規(guī)級(jí)器件，但是目前未做功能安全認(rèn)證，數(shù)據(jù)保持能力也可以做到20年。
　　Flash的讀寫速度較慢，每次寫操作都必須進(jìn)行擦寫，因此完成一次寫操作至少需要幾百毫秒的時(shí)間，擦寫次數(shù)也只能支持10萬(wàn)次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1.1億次的要求，數(shù)據(jù)保持能力在10年到20年之間。
　　F-RAM 是通過(guò)鐵電這種特殊材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其具有高可靠性，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為100年，完全隨機(jī)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，并且具有非常低的功耗；由于其特殊的鐵電材質(zhì)，所以該類型存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)可以高達(dá)100億次。如下圖所示：

　　如上圖所示，F(xiàn)-RAM作為一款獨(dú)特的非易失性存儲(chǔ)器，無(wú)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(shí)現(xiàn)高可靠性BMS系統(tǒng)的最佳存儲(chǔ)器選擇。
　　美國(guó)賽普拉斯半導(dǎo)體公司（Cypress Semiconductor Inc.）作為全球領(lǐng)先的F-RAM核心供應(yīng)商，提供非常齊全的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器F-RAM產(chǎn)品，容量由4Kb到8Mb，接口為I2C/SPI 接口，具有幾乎無(wú)限次的讀寫次數(shù)（100億次讀寫周期），QSPI接口速率高達(dá)108Mhz，不需要寫等待時(shí)間，工作電流低至0.6mA，是能夠承受125度高溫的汽車級(jí)芯片解決方案，并且符合ASIL-B。