铁电随机存储器F-RAM在动力电池管理上的应用

shuszhao · 发表于 2019-3-27 08:43:11

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
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：
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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。