電動汽車電池管理系統的設計開發（簡體書）

本書系統性地闡述了電動汽車電池管理系統所涉及的相關行業動態、技術法規體系，及其具體設計開發過程中的技術重點和難點。本書涉及的電池管理系統所包含的核心技術，如動力電池的保護策略、荷電狀態的估計、壽命預期、能力估計和框架設計等，正處於技術積累和發展的關鍵時期，是近期業界研究開發的熱點。對於未來智能汽車的核心技術（先進的人工智能和深度學習）來說，優質的電池管理是確保人工智能芯片運行的保障。為了增強本書的實用性和可操作性，書中增加了專門的篇幅，以案例開發的形式，詳細介紹高壓電池管理系統和啟停系統用電池管理系統的軟硬件開發。本書可以作為高等教育、職業教育系統及技術領域自學者的專用參考書。

工業和信息化部人才交流中心（以下簡稱中心）創建於1985年1月，1992年10月成為獨立事業法人單位，工業和信息化部所屬的黨政機關一類事業單位(正局級)，是經中央機構編制委員會辦公室批准，國家事業單位登記管理局註冊登記，是工業和信息化部在人才培養、人才交流、智力引進、國際交流、會議展覽等方面的支撐機構；也是人力資源和社會保障部、工業和信息化部“全國信息專業技術人才知識更新工程”及“信息化工程師”項目實施承辦單位。

序一
中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。習近平總書記在十九大報告中明確指出，要堅持新發展理念，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國的經濟實力和綜合國力。
對於我國的集成電路產業來說，當前正是一個實現產業跨越式發展的重要戰略機遇期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻。在政策層面，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈，提出到2030年產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越發展的發展目標；2015年，國務院提出“中國製造2025”，將集成電路產業列為重點領域突破發展首位；2016年，國務院頒佈《“十三五”國家信息化規劃》，提出構建現代信息技術和產業生態體系，推進核心技術超越工程，其中集成電路被放在首位。在技術層面，目前全球集成電路產業已進入重大調整變革期，中國集成電路技術創新能力和中高端芯片供給水平正在提升，中國企業設計、封測水平正在加快邁向第一陣營。在應用層面，5G移動通信、物聯網、人工智能等技術逐步成熟，各類智能終端、物聯網、汽車電子及工業控制領域的需求將推動集成電路的穩步增長，從而集成電路產業將成為這些產品創新發展的戰略制高點。
展望“十三五”，中國集成電路產業必將迎來重大發展，特別是十九大提出要加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合等新的要求，給集成電路發展開拓了新的發展空間，使得集成電路產業由技術驅動模式轉化為需求和效率優先模式。在這樣的大背景下，通過高層次的全球合作來促進我國國內集成電路產業的崛起，將成為我們發展集成電路的一項重要抓手。
在推進集成電路產業發展的過程中，建立創新體系、構建產業競爭力，最終都要落在人才上。人才培養是集成電路產業發展的一個核心組成部分，我們的政府、企業、科研和出版單位對此都承擔重要的責任和義務。所以我們非常支持工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司、電子工業出版社共同編制出版這套《物聯網與人工智能應用開發叢書》。這套叢書集中了眾多一線工程師和技術人員的集體智慧和經驗，並且經過了行業專家學者的反復論證。我希望廣大讀者可以將這套叢書作為日常工作中的一套工具書，指導應用開發工作，還能夠以這套叢書為基礎，從應用角度對我們未來產業的發展進行探索，並與中國的發展特色緊密結合，服務中國集成電路產業的轉型升級。


序二
隨著摩爾定律逐步逼近極限，以及雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新興應用領域的興起，細分領域競爭格局加快重塑，圍繞資金、技術、產品、人才等全方位的競爭加劇，當前全球集成電路產業進入了發展的重大轉型期和變革期。
自《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈以來，隨著“中國製造2025”“互聯網+”、大數據等國家戰略的深入推進，國內集成電路市場需求規模進一步擴大，產業發展空間進一步增大，發展環境進一步優化。在市場需求拉動和國家相關政策的支持下，我國集成電路產業繼續保持平穩快速、穩中有進的發展態勢，產業規模穩步增長，技術水平持續提升，資本運作漸趨活躍，國際合作層次不斷提升。
集成電路產業是一個高度全球化的產業，發展集成電路需要強調自主創新，也要強調開放與國際合作，中國不可能關起門來發展集成電路。
集成電路產業的發展需要知識的不斷更新。這一點隨著雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新業務、新平臺的不斷出現，已經顯得越來越重要，越來越迫切。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的《物聯網與人工智能應用開發叢書》，是我們產業開展國際知識交流與合作的一次有益嘗試。我們希望看到更多國內外企業持續為我國集成電路產業的人才培養和知識更新提供有效的支撐，通過各方的共同努力，真正實現中國集成電路產業的跨越式發展。

序三
儘管有些人認為全球集成電路產業已經邁入成熟期，但隨著新興產業的崛起，集成電路技術還將繼續演進，並長期扮演核心關鍵角色。事實上，到現在為止還沒有出現集成電路的替代技術。
中國已經成為全球最大的集成電路市場，產業佈局基本合理，各領域進步明顯。2016年，中國集成電路產業出現了三個里程碑事件：第一，中國集成電路產業第一次出現製造、設計、封測三個領域銷售規模均超過1000億元人民幣，改變了多年來始終封測領頭，設計和製造跟隨的局面；第二，設計業超過封測業成為集成電路產業最大的組成部分，這是中國集成電路產業向好發展的重要信號；第三，中國集成電路製造業增速首次超過設計業和封測業，達到最快。隨著中國經濟的增長，中國集成電路產業的發展也將繼續保持良好態勢。未來中國將保持世界電子產品生產大國的地位，對集成電路的需求還會維持在高位。與此同時，我們也必須認識到，國內集成電路的自給率不高，在很長一段時間內對外依存度會停留在較高水平。
我們要充分利用當前物聯網、人工智能、大數據、雲計算加速發展的契機，實現我國集成電路產業的跨越式發展，一是要對自己的發展有清醒的認識；二是要保持足夠的定力，不忘初心、下定決心；三是要緊緊圍繞產品，以產品為中心，高端通用芯片必須面向主戰場。
產業要發展，人才是決定性因素。目前我國集成電路產業的人才情況不容樂觀，人才缺口很大，人才數量和質量均需大幅度提升。與市場、資本相比，人才的缺失是中國集成電路產業面臨的最大變量。人才的成長來自知識的更新和經驗的積累。我國一直強調產學研結合、全價值鏈推動產業發展。加強企業、研究機構、學校之間的交流合作，對於集成電路產業的人才培養和知識更新有非常正面的促進作用。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的這套《物聯網與人工智能應用開發叢書》，內容涉及安全應用與微控制器固件開發、電機控制與USB技術應用、車聯網與電動汽車電池管理、汽車控制技術應用等物聯網與人工智能應用開發的多個方面，對於專業技術人員的實際工作具有很強的指導價值。我對參與叢書編寫的專家、學者和工程師們表示感謝，並衷心希望能夠有越來越多的國際優秀企業參與到我國集成電路產業發展的大潮中來，實現全球技術與經驗和中國市場需求的融合，支持我國產業的長期可持續發展。


序四
人工智能與物聯網、大數據的完美結合，正在成為未來十年新一輪科技與產業革命的主旋律。隨之而來的各個行業對計算、控制、連接、存儲及安全功能的強勁需求，也再次把半導體集成電路產業推向了中國乃至全球經濟的風口浪尖。
歷次產業革命所帶來的衝擊往往是顛覆性的改變。當我們正為目不暇接的電子信息技術創新的風起雲湧而喝彩，為龐大的產業資金在政府和金融機構的熱推下，正以前所未有的規模和速度投入集成電路行業而驚歎的同時，不少業界有識之士已經敏銳地意識到，構成並驅動即將到來的智能化社會的每一個電子系統、功能模塊、底層軟件乃至檢測技術都在面臨巨大的量變與質變。毫無疑問，一個以集成電路和相應軟件為核心的電子信息系統的深度而全面的更新換代浪潮正在向我們走來。
如此的產業巨變不僅引發了人工智能在不遠的將來是否會取代人類工作的思考，更加現實而且緊迫的問題在於，我們每一個人的知識結構和理解能力能否跟得上這一輪技術革新的發展步伐？內容及架構更新相對緩慢的傳統教材以及漫無邊際的網絡資料，是否足以為我們及時勾勒出物聯網與人工智能應用的重點要素？在一個如今僅憑獨到的商業模式和靠免費獲取的流量，就可以瞬間增加企業市值的IT盛宴裡，我們的工程師們需要靜下心來在哪些方面練好基本功，才能在未來翻天覆地般的技術變革時代立於不敗之地？
帶著這些問題，我們在政府和國內眾多知名院校的熱心支持與合作下，精心選題，推敲琢磨，策劃了這一套以物聯網與人工智能的開發實踐為主線，以集成電路核心器件及相應軟件開發的最新應用為基礎的科技系列叢書，以期對在人工智能新時代所面對的一些重要技術課題提出抛磚引玉式的線索和思路。
本套叢書的準備工作始終得到了工業和信息化部電子信息司刁石京司長，國家集成電路大基金丁文武總裁，清華大學微電子系主任魏少軍教授，工業和信息化部人才交流中心王希征主任、李甯副主任，電子工業出版社黨委書記、社長王傳臣的肯定與支持，恩智浦（中國）管理有限公司的任霞女士、張伊雯女士、陳劼女士，以及恩智浦（中國）管理有限公司各個產品技術部門的技術專家們為叢書的編寫組織工作付出了大量的心血，電子工業出版社的董亞峰先生、徐薔薇女士為叢書的編輯出版做出了精心的規劃。著書育人，功在後世，借此機會表示衷心的感謝。
未來已來，新一代產業革命的大趨勢把我們推上了又一程充滿了精彩和想像空間的科技之旅。在憧憬人工智能和物聯網即將給整個人類社會帶來的無限機遇和美好前景的同時，打好基礎，不忘初心，用知識充實腳下的每一步，又何嘗不是一個主動迎接未來的良好途徑？

前言
電池管理系統（Battery Management System，BMS）一般是整體系統中的一個子系統，廣泛應用於工業生產的各個環節，在電動汽車中，它是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。它的主要功能是通過監控和管理蓄電池，對荷電狀態（SoC）、健康狀態（SoH）和功能狀態（SoF）進行快速、可靠的監測，以提供必要的信息，使電池始終保持在最佳工作狀態，最大限度延長電池壽命；並將電池信息傳輸給相關子系統，為系統整體決策提供判斷依據。
本書集電動汽車、動力電池、BMS行業企業及科研機構專家之力，立足三重維度與全產業鏈視角，層層解析整車系統、動力電池系統，乃至BMS的國內外產業及技術發展現狀與未來發展趨勢。立足BMS細分領域，參照其所屬系統總成，深度剖析其行業產業的發展潛力。以恩智浦解決方案及BMS開發測試為例，本書著重闡述了BMS的設計開發，充分借用研發實際案例對軟硬件的開發進行詳細介紹，有效地提升系統軟硬件開發實操能力、工程化意識與系統協調能力。本書還詳細梳理了BMS產品開發設計所涉及的標準法規，對照國內外先進測試評價規範，對

目錄
第1章 新能源汽車產業發展現狀及趨勢分析 001
1.1 新能源汽車整車產業發展現狀及趨勢分析 002
1.1.1 國際新能源汽車發展現狀分析 008
1.1.2 我國新能源汽車發展現狀分析 024
1.1.3 新能源汽車產業發展趨勢分析 031
1.2 動力電池產業發展現狀與趨勢分析 037
1.2.1 國際動力電池產業發展現狀分析 038
1.2.2 我國動力電池產業發展現狀分析 042
1.2.3 動力電池產業發展趨勢分析 046
1.3 動力電池管理系統（BMS）產業發展現狀及趨勢分析 056
1.3.1 國際BMS產業發展現狀分析 056
1.3.2 我國BMS產業發展現狀分析 058
1.3.3 BMS產業發展趨勢分析 060

第2章 動力電池系統設計與性能開發 063
2.1 動力電池系統簡述 064
2.1.1 動力電池系統的作用 064
2.1.2 動力電池系統的設計理念 065
2.1.3 動力電池從單體到系統 065
2.1.4 動力電池系統產品外形及安裝位置 068
2.1.5 動力電池系統的構成和相關技術 071
2.2 動力電池技術介紹 073
2.2.1 動力電池按材料體系分類及特點 073
2.2.2 動力電芯封裝形式和極片裝配工藝 076
2.2.3 電芯設計技術 078
2.3 先進動力電池技術開發 079
2.3.1 鈦酸鋰電池技術 080
2.3.2 全固態電池技術 096
2.3.3 鋰硫電池技術 104
2.3.4 鋰―空氣電池技術 142
參考文獻 153
第3章 動力電池管理系統功能分析與系統架構分析 169
3.1 動力電池管理系統功能分析 170
3.1.1 通信功能 171
3.1.2 狀態參數採集功能 174
3.1.3 SOC估算功能 179
3.1.4 故障診斷功能 186
3.1.5 熱管理功能 189
3.1.6 電池均衡功能 193
3.2 動力電池管理系統架構設計分析 198
3.2.1 動力電池系統硬件系統架構設計分析 199
3.2.2 動力電池系統軟件系統架構設計分析 204
3.2.3 功能安全及其對電池管理系統架構設計分析 210
參考文獻 217
第4章 電動汽車動力電池管理系統設計策略 219
4.1 BMS硬件系統設計策略分析 220
4.1.1 NXP BMS系統功能安全設計 221
4.1.2 基於MC33771的BMS硬件系統總體設計方案策略 231
4.1.3 從控模塊硬件設計 232
4.1.4 主控模塊硬件電路設計 269
4.1.5 系統EMC性能設計 283
4.1.6 基於MC33771的BMS系統部件及
硬件設計方案優勢分析 288
4.2 基於MC33771的BMS軟件系統設計策略分析 289
4.2.1 基於MC33771的BMS系統軟件開發平臺介紹 289
4.2.2 BMS軟件系統總體設計方案策略 289
4.2.3 從控模塊軟件設計 290
4.2.4 主控模塊軟件設計 294
4.2.5 AUTOSAR框架軟件設計 297
4.2.6 基於MC33771的BMS軟件設計方案優勢分析 301
4.3 48V電池管理系統案例分析 302
4.3.1 48V系統電壓操作範圍定義 304
4.3.2 48V BMS系統需求 306
4.3.3 48V系統安全目標 308
4.3.4 NXP 48V BMS案例分析 308
第5章 動力電池管理系統產品測試評價 313
5.1 動力電池管理系統標準法規體系分析 314
5.1.1 國際動力電池管理系統標準法規體系分析 314
5.1.2 中國動力電池管理系統標準法規體系分析 316
5.2 動力電池管理系統關鍵性能評價 317
5.2.1 BMS系統物理參數採集精度評價 318
5.2.2 BMS的EMC性能評價 326
5.2.3 BMS系統安全性能評價 329
5.2.4 BMS系統SOC估算功能評價 334
5.2.5 BMS系統故障診斷功能評價 339
5.2.6 BMS系統熱管理功能評價 341
5.2.7 BMS系統電池均衡功能評價 342
第6章 電池管理系統方案介紹 347
6.1 常見的電池管理系統專用芯片介紹 348
6.2 典型的電池管理系統方案介紹 351
6.2.1 基於CAN總線分布式高壓BMS解決方案 351
6.2.2 基於菊花鏈的分布式高壓BMS解決方案 352
6.2.3 基於菊花鏈的集中式高壓BMS解決方案 354
6.2.4 基於菊花鏈的低成本分布式高壓BMS解決方案 355
6.2.5 混合式高壓BMS解決方案 355
6.2.6 低壓BMS解決方案 356