马恒达车队 (Mahindra Racing) 和瑞萨电子首次推出电动方程式赛车低压锂离子电池管理系统

ABB FIA 电动方程式锦标赛第 5 季 (2018-2019) 可能已经看到了第一款适用于全电动赛车基础低压 (12V) 系统的锂离子电池管理系统 (BMS) [1,2,3]. ;在电动方程式锦标赛的前四季中,唯一与安全相关的电池问题发生在 12V 系统电池中。开发这种锂离子 BMS 特别有趣,因为电动汽车的重点主要在于开发大型高压电池组为汽车电动驱动电机供电。

然而,其他基本的安全与操作系统可以选择低压电池供电。这些系统包括制动器、转向、传感器、通信和其他关键的电子设备。在没有安排进站加油维修的比赛中,可靠的系统是一项竞争优势。

Mahindra Racing car

瑞萨电子的低压锂离子 BMS 如何为马恒达车队带来益处

低压电池为电动汽车提供启动其功能所需的电力,以及启动主电池组的 DC/DC 转换器无法供电的辅助功能的高功率服务。在主电池、电池连接线或 DC/DC 转换器出现故障时,低压电池还可提供关键功能和备用系统。在瑞萨电子与马恒达车队合作之前,其他电动方程式赛车不太可能为这些锂离子低压电池(BMS)实施关键的安全功能。

锂离子电池重量轻、内阻最小且功率密度高,对每一盎司都很重要的高性能电动汽车极具吸引力。对大多数汽车常用的铅酸蓄电池类型来说,BMS 并非必需,但对锂离子电池而言,BMS 对维持其健康至关重要。BMS 还可确保电池不会发生可能导致热失控的故障。

瑞萨电子和马恒达车队都是 ABB FIA 电动方程式锦标赛的十个创始团队之一,2017 年 11 月,它们共同决定,认为这是瑞萨电子可以打造高可靠性、汽车级半导体解决方案和电动汽车工程专业技术的关键领域。通过此次合作,瑞萨电子设计并开发了 BMS 模块,包括汽车级 BMS 组件、外壳和锂离子电池。此外,创新的低压 BMS 模块还为其高功率处理器——RH850/E2x 微控制器 (MCU) 提供了足够的额外处理带宽,可以支持低压电池系统的进一步创新。

与非管理型低压锂离子电池系统相比,瑞萨电子电动方程式的 BMS 模块大大增强了安全性,同时提高了低压系统的整体效率和可靠性。效率和安全性固然重要,但为电动方程式赛车设计 BMS 还需要考虑其他因素。例如,汽车应用中的电子元件面临的振动、冲击力甚至重力都远远超出大多数商业级甚至工业级元件或设计实践的承受能力。要设计出完备的模块,瑞萨电子面临各种挑战,从半导体到如何解决整个模块与马恒达赛车的整合。

瑞萨电子在开发 BMS 时采用的模块层面方法需要定制设计电路原理图、PCB、硬件组件、软件,并对每个组件和整个模块进行严格测试。瑞萨电子内部完成了大部分设计工作,Voxdale 设计了外壳,A123 提供了锂离子电池。低压 BMS 模块的基本元件包括瑞萨电子 RH850/E2x 汽车 MCU、ISL78714 电池平衡 BMS IC 和 RH850/E2x 演示板。每个元件都为提高 BMS 的效率和性能提供了关键功能。

RH850/E2x 汽车 MCU 是嵌入式闪存 400 MHz 锁步双核系统,具有 FPU 支持功能安全 [4,5]。RH850/E2x 还集成了 A/D 转换器和多种通信接口,包括汽车行业标准 CAN 总线、CAN FD(5)、以太网和其他串行通信接口。此外,由于 RH850/E2x 源于为内燃机设计的一系列 MCU,因而极其坚固,并内置各种各样的集成式外围模块。包括板载电压监测、温度传感和独立的加密内核。

瑞萨电子 RH850 系列的开发环境中包括 RH850/E2x演示板,这对电动方程式的低压 BMS 模块的设计及软件开发至关重要 [6]. 演示板和开发环境提高了开发速度和效率。例如在电动方程式的开发过程中,BMS 模块受益于多种开发努力,可以提高其可靠性和性能。

尽管瑞萨电子已经开发了许多用于开发低压 BMS 的组件,但为确保电动方程式的系统性能,瑞萨电子与马恒达必须在工程上进行大量探索与合作。在此次合作中,瑞萨电子的工程团队与马恒达赛车队的主要工程师进行紧密沟通。瑞萨电子的工程师也出席了马恒达赛车活动,以便对新的 BMS 集成进行优化。幸运的是,瑞萨电子战略性地聘用了来自顶尖企业和 OEM 的工程师后,已准备好与电动汽车和自动驾驶汽车行业的顶尖工程人才建立合作伙伴关系。

瑞萨电子的低压锂离子 BMS 和汽车处理器使电动车行业受益

在电动赛车中集成创新的 BMS 解决方案不仅令马恒达车队的赛车受益,也可以促进整个电动车市场的发展。作为试验场,电动方程式让瑞萨电子的工程师获得宝贵的见解,并积累了开发电动汽车电子产品的经验。瑞萨电子低压 BMS 技术增强了性能与功能,最终可以促成电动汽车的一系列设计、开发甚至商业改进。

瑞萨电子 RH850/E2x 汽车 MCU 系列的处理能力远远超出 BMS 的基本要求。因此具备足够的处理能力,可以在车辆运行时进行车载测试和电动车辆系统评估。MCU 还配有多个高精度嵌入式外围模块,可以更深入地了解电动汽车的运行情况。

此外,瑞萨电子电动方程式赛车用低压 BMS 还有一个主要组件 — ISL78714 多芯电池组平衡 BMS IC,它提供了出色的电压测量精度。由于电池精度更高,因此电池组可以更好地平衡,每个电池可以以更高的精度进行充电和放电。这样的高精度可以延长锂离子电池的使用寿命,更好地避免电池出现危险状况。

对消费类电动汽车而言,使用高级的汽车 MCU 和 BMS 可以直接获益。由于内燃机的性能要求严格,汽车电子产品标准极其可靠。满足这些标准的 MCU,例如 RH850/E2x 系列,可以为电动汽车提供强大的处理能力。这可以保证在车辆使用寿命期限内,MCU 能够处理电动汽车的严格操作。

此外,电动方程式电动赛车中使用的瑞萨电子 MCU 和 BMS IC 集成度高,并配备大量嵌入式功能,为日益精密的电动车电子设备简化了物料及设计成本。这会直接影响电动汽车的成本和生产商的上市时间。