基于AURIX的电动汽车电池管理系统电源模块设计
谢立洁;杜森;徐梓荐;翟世欢
【摘 要】电池管理系统(BMS)的优劣是评价电动汽车性能好坏的重要指标之一.为提高电动汽车动力电源的安全性,采用了一种基于AURIX和TLF35584的BMS设计.CPU选用AURIX系列单片机中的TC234L,电源芯片选用TLF35584.软件搭建基于AUTOSAR MCAL层的MC-ISAR底层驱动和英飞凌提供的功能安全测试库SafeTlib.该设计符合功能安全标准ISO 26262,通过TLF35584监控系统运行状态,在BMS软硬件运行不正常时能够及时复位及关闭电源,提高了BMS的安全性.
【期刊名称】《汽车工程师》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】5页(P25-29)
【关键词】BMS;AURIX芯片;TLF35584;功能安全
【作 者】谢立洁;杜森;徐梓荐;翟世欢
【作者单位】天津易鼎丰动力科技有限公司;天津易鼎丰动力科技有限公司;天津易鼎丰动力科技有限公司;天津易鼎丰动力科技有限公司
【正文语种】中 文
近几年，新能源汽车越来越受到人们的广泛关注。其中，以电动汽车发展最为迅速。除去国家对新能源汽车颁布的相关优惠政策及财政补贴之外，最主要的还是人们的环保意识增强。相比于传统汽车，电动汽车电子系统的复杂度更高，汽车电子的系统失效和随机失效可能导致的安全风险也随之提高。为此，ISO组织在2011年11月颁布了和汽车相关的功能安全标准ISO 26262[1]，为汽车电子提供了在整个生命周期中的工作流程和管理流程的指导。文章采用符合文献 [1]的AURIX TC234L与电源芯片TLF35584，加上搭建了基于MCAL软件架构和功能安全测试库SafeTlib的软件平台，在一定程度上提高了BMS的安全性与可靠性。
1　硬件介绍
1.1　AURIX TC234L单片机
AURIX是英飞凌公司推出的32位微控制器系列，堪称汽车电子系统中性能与安全的完美结合。其中本设计中采用的AURIX TC234L是具有高度创新的安全技术[2]，包括：1）独特的锁步架构，具备时钟延迟；2）配备多个不同类型的定时器模块（GTM，CCU6，GPT12）；3）访问许可系统；4）安全管理单元；5）DMA；6）I/O、时钟及电压监测器；7）满足文献[1]中的ASIL-D的安全要求。
1.2　TLF35584基本特性
本设计中采用的TLF35584是高性能电源管理芯片，因其具有其他芯片不可替代的优点，现在逐渐应用到电动汽车相关控制器上，TLF35584芯片主要有以下特性[3]6：
1）该芯片是一种高效率多电压电源芯片；2）该芯片具有串行升压和降压稳压器的宽输入，电压范围：3～40 V；3）功能全且功耗损失低；4）该芯片提供启用、同步输出信号及电压监测（内部），用于可选外柱的装置核心供应调节器；5） 备用调节器 5 V/10 mA（TLF35584xxvs1）或 3.3 V/10 mA（tlf35584xxvs2）；6）具有复位功能的独立电压监视块；7）可配置窗口狗和看门狗的功能；8）该芯片具有16位SPI；9）具有可编程延迟的2个安全状态信号。
2　基于AURIX与TLF35584的电池管理系统（BMS）电源模块硬件设计
TC234L与TLF35584通过SPI进行通信，TLF35584在上电后会自动开启，并进入初始化状态（INIT）。首先TC234L在进行正确的配置之后（SPI通信）控制TLF35584进入正常状态（NORMAL），然后对TLF35584进行周期喂狗和读取TLF35584的状态（SPI通信），最后在检测到上电触发信号消失后，控制TLF35584进入等待状态（STANDBY）实现BMS的下电。
应用TLF35584与TC234L的BMS电源模块硬件设计原理图，如图1和图2所示。
图1　TLF35584硬件原理图截图
图2　TC234L电源部分硬件原理图截图
2.1　与TLF35584的唤醒功能相关的触发机制
1）TLF35584状态从FAILSAFE进入INIT，或者从低功耗模式STANDBY进入INIT，或者从SLEEP进入WAKE时，可以通过控制TLF35584上面的ENA和WAK引脚完成。
2）TLF35584状态从 NORMAL进入 SLEEP状态时，如果产生ENA或WAK的控制使能，则状态进入WAKE，并产生一个中断。
3）TLF35584状态从NORMAL进入STANDBY时，如果产生ENA或WAK的控制使能，则会进入INIT状态，并产生一个复位操作。
ENA和WAK信号中，只要一个信号使能则触发BMS上电，ENA和WAK引脚的连接参看图1。ENA信号使能条件为一个小于10 μs的从0.8 V上升到2 V的上升沿。
电动汽车中的钥匙信号和快充12 V信号将连接到ENA信号触发BMS上电。触发ENA信号原理图，如图3所示。
图3　钥匙信号和快充12 V信号触发ENA信号原理图截图
WAK信号使能的条件是一个持续40 μs的高于2 V的高电平。
电动汽车中的慢充CC信号、慢充CP信号、实时时钟RTC、单片机TC234L使能信号及CAN激活信号将连接到WAK信号触发BMS上电。触发WAK信号原理图，如图4所示。
图4　控制器信号触发源触发WAK信号原理图截图
2.2　TLF35584的供电管理
TLF35584是高性能电源管理芯片，其支持升压和降压预调节（PreRegulators），可以满足3～40 V的宽电压输入。该芯片可以提供后向的不同电压输出（Post Regulators），为BMS电路中的其他器件提供电源，参看图 1。包括：5 V/200 mA的通信电源 LDO_Com（QCO）；3.3 V/600 mA的 TC234L供电电压 LDO_uC（QUC）；150 mA用于 ADC的参考电压 Volt_Ref（QVR）；2个 150 mA传感器供电电源 Tracker1和Tracker2（QT1，QT2）。此外，还有独立于上述2个模块的Standby Regulator（QST）为 CC信号、CP信号和 RTC激活信号提供电源。
2.3　TLF35584的安全管理
TLF35584的安全管理包括监控过压、欠压、过流、过温及过载；监控TC234L输出的故障引脚；安全状态控制包括TLF35584的引脚SS1、SS2及看门狗（窗口狗和功能狗）。当TLF35584检测到高危异常，将会进入故障状态（FAILSAFE），故障状态下所有供电电源将会关闭，看门狗功能关闭，安全状态控制为低电平。故障状态下各功能状态，如图5所示。
图5　故障状态下各功能状态显示界面
3　基于AURIX与TLF35584的BMS电源模块软件设计
3.1　TC234L的时序设计
天津电动汽车
TC234L时序图，如图6所示。
图6　单片机TC234L时序图
3.2　初始化阶段
BMS上电后进入初始化阶段，包括系统时钟初始化、GTM模块初始化（定时模块）、PORT模块初始化、SPI模块初始化、SMU模块初始化、测试模块初始化及TLF35584配置初始化[3]148。其中测试模块初始化包含EarlyPreRun和PreRun 2个阶段，这2个阶段能够对潜在故障进行检测。
3.2.1　定时配置
设置TC234L的系统时钟频率为120 MHz，GTM模块的时钟频率为60 MHz，使用分频因子为65536的CLOCK4，选用TOM0通道实现10 ms的时钟周期定时[4]。
3.2.2　SPI配置
TC234L使用QSPI2控制TLF35584，通过EBtresos实现对SPI的配置。SPI时钟频率为60 MHz，QSPI2管脚设置[5]，如表1所示。
表1　QSPI2管脚设置MRST P15.4 MTSR2 P15.5 SCLK2 P15.8 ChipSelect P14.07
3.2.3　SMU模块的FSP配置
TLF35584能够实现对TC234L的FSP（Error Pin）的监控，通过EBtresos实现对SMU模块FSP配置。配置参数，如表2所示。
表2　SMU模块FSP配置参数SmuFSPPrescaler1 SmuFSPPrescaler2 SmuFSPSignalingMode SmuPESOnFSP SmuFSPFaultStateDuration参数设置SMU_REF_CLK_FRQ_DIV_16 SMU_REF_CLK_FRQ_DIV_4096 SMU_FSP_TIME_SWITCHING_PROTOCOL SMU_FSP_PES_ENABLE 1
3.2.4　测试模块初始化