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铁电随机存储器F-RAM在动力电池管理上的应用

MCU单元的存储器的数据写操作在电池包生命周期内的写次数为1亿5百万次

随着电动汽车技术的发展,以及政府的政策鼓励与扶持,电动汽车(混动+纯电动)以每年超过50%的速度高速增长,电池以及电池管理系统作为电动汽车的核心组件,其市场需求也获得相应的快速增长。本文将就电池管理系统对存储器的需求进行分析

电池管理系统(Battery Management System, 即BMS)主要实现三大核心功能:电池充放电状态的预测和计算(即SOC)、单体电池的均衡管理,以及电池健康状态日志记录与诊断。功能框图如下:

在整个电池管理系统中,电池荷电状态的预测和计算(即SOC)是其最重要的功能,因为有了精确的电池充电/放电状态的预测/计算,才能进行有效均衡管理。所以,SOC精准度的要求是越高越好。

为了提高SOC的精准度,除了要采集电池的电压、电流参数,还需要提供诸如阻抗、温度、环境温度、充放电时间等多种参数。电池固有参数会通过数学建模的方式,建立软件模型,而动态参数则通过数据采集卡实时的采集数据,并实时地把数据传输至MCU单元存储,然后MCU对提取的数据进行算法计算,从而得出精确的电池荷电状态。

因此,SOC功能会将不同电池的模型存入存储器,该存储器需具有低功耗、快速读写、接口简单以及数据保持时间达到20年的要求;SOC功能需要采集卡不停地实时将采集的电池电压/电流数据存入存储器,假如一个MCU单元,对接10路单体电池的采集数据,采集数据卡一般会采用1MB的isoSPI总线进行通信,即对于MCU单元的存储器,接口速率要求高且几乎每秒中都要进行一次数据写操作;而电池的寿命要求至少是10年,假如一台车运行时间是8小时,那么MCU单元的存储器的数据写操作在电池包生命周期内的写次数为1亿5百万次。

综上分析可见,BMS里面的SOC功能非常关键,所以其对存储器的性能与可靠性也是非常高:必须是非易失性的存储器,擦写次数至少要超过1.1亿次,接口速率大于8MHz,低功耗且数据能够可靠保存20年的时间,需要符合AECQ-100,未来需要通过功能安全认证,至少具有ASILB等级。

目前主流的非易失性的存储器有EEPROM、 Flash 以及F-RAM。EEPROM 的接口有SPI接口,速率可以做到10Mhz,但是每次写都有一个5ms写等待时间,擦写次数是1百万次,功耗中等,有车规级器件,但是目前未做功能安全认证,数据保持能力也可以做到20年。

Flash的读写速度较慢,每次写操作都必须进行擦写,因此完成一次写操作至少需要几百毫秒的时间,擦写次数也只能支持10万次,远远低于1.1亿次的要求,数据保持能力在10年到20年之间。

F-RAM 是通过铁电这种特殊材料作为存储介质,其具有高可靠性,数据保持时间为100年,完全随机不需要写等待的高读写效率,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;由于其特殊的铁电材质,所以该类型存储器的擦写次数可以高达100亿次。如下图所示:

如上图所示,F-RAM作为一款独特的非易失性存储器,无论在写入速度、耐久性还是在功耗与可靠性方面,都是目前实现高可靠性BMS系统的最佳存储器选择。

美国赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Inc.)作为全球领先的F-RAM核心供应商,提供非常齐全的铁电随机存储器F-RAM产品,容量由4Kb到8Mb,接口为I2C/SPI 接口,具有几乎无限次的读写次数(100亿次读写周期),QSPI接口速率高达108Mhz,不需要写等待时间,工作电流低至0.6mA,是能够承受125度高温的汽车级芯片解决方案,并且符合ASIL-B。

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