高精度なバッテリ監視ソリューションを実現する高性能バッテリ・センサIC FTF-AUT-F0351 Tomomi Takarada | Marketing, Analog & Sensor Product Group DEC. 04. 2014 TM External Use Agenda • バッテリ管理システム市場動向および要求 • インテリジェント・バッテリ・センサ • リチウム・イオン・バッテリ管理ソリューション • まとめ TM External Use 2 Battery Management Solution Market Trends and Requirements TM External Use 3 Battery Management – Market Drivers • CO2 排出量削減の要求により、バッテリおよびバッテリ管理に関する投資が増加 • 2020年までに車載電流センサ市場は98万台へ*) この市場の約60％がシャント電流検出をベースと可能性が高いと予測**） • EUでは2017年以降の新しいバッテリ鉛蓄電池から14V リチウムイオン・バッテリ・ソリューションへ必要とされる重要要素に鉛蓄電池では限界がある為 • 電力貯蔵装置(ESS)、無停電電源装置 (UPS)、電動アシスト自転車用途が大幅に増加 Sources: *) World In-vehicle Current Sensor Market, Yano Research Institute, Tokyo, 2012 **) Freescale Marketing estimation TM External Use 4 Battery Management - Market Trends • 投資増加している産業 12V 鉛蓄電池の監視 (スタート/ストップ) − 14V 4s/6s リチウムイオン(Li-ion) バッテリ管理システム(BMS) (SOP ~2016/17), − 48V バッテリ (SOP ~2018), − ハイブリット・バッテリ (既に投資、コスト削減へ > 2018) − • Li-ion HVBMS の大幅増加を予測 > 2018 最適化によるコスト削減化 − HVBMSの場合: 高帯域幅と堅牢性を維持する事により、 CANベースからデイジーチェーン・ソリューションへ − 14V 4s/6s Li-ion BMS: MCUの拡張性と機能安全を維持する事による高集積化 TM External Use 5 ハイブリット・パワートレイン Parallel Hybrids Plug-In Capable Hybrid Functions Full Electric Drive Engine Assist Regenerative Braking Engine Start/Stop Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Series Hybrid (All Electric Drive) Traction Motor Power (watts) Battery Voltage 2-10 k 10-20 k 20-80 k 80-110 k 12-42 V 42-100 V 100-300 V 300-600 V Hybrid Strength TM External Use 6 Addressable Market フリースケールの自動車電化ソリューション • Provide a portfolio of solutions for car electrification and fuel consumption reduction • Performance improved and reduced emissions thanks to Qorivva MCU, Analog Mixed Signal ICs and Xtrinsic pressure sensor • Micro Hybrid combines Power MOSFET with Intelligent Battery Sensors. • High Voltage Battery Management including pack and cell control • Electric Motor Control expertise and adapted technology TM External Use 7 バッテリ管理市場アセスメント Battery Cell Controllers Intelligent Battery Sensors • Key Markets: − − − − − − − • • 12 V lead acid batteries 14 V Li-Ion batteries Lead acid multi-batteries HV battery junction box Energy Storage Systems (ESS) UPS Industrial automation • Market Trends: − Complex battery algorithms − Higher communication data-rates (CAN) − Safety for Li-Ion batteries − Increasing mission-critical dependence on energy availability • Key Buying Factors: − Price for total BOM − Accuracy/ Performance − Functional safety − Automotive Robustness TM External Use 8 Key Markets: − 48V BMS − HV BMS − SuperCap Apps − Energy Storage Systems (ESS) − UPS Market Trends: − Measurement Accuracy − Robust against Hot plug, random cell connection − Diagnostics, Functional Safety − High communication data-rates • Key Buying Factors: − Price for total BOM − Accuracy/ Performance − Functional safety − Automotive Robustness Freescale’s Intelligent Battery Sensors TM External Use 9 インテリジェント・バッテリ・センサとは? 精密測定 • バッテリ電流 (IBAT) • バッテリ電圧 (VBAT) • バッテリ温度 (TBAT) 主要なバッテリ特性を決定する • バッテリ充電状態 (SoC) • バッテリ劣化状態 (SoH) • 電気デバイスの動作状態 (SoF) & (過酷な動作条件下において) バッテリ・アルゴリズム (クーロンカウンタ) VBAT TBAT 利点 • • • • 厳しいシステム条件環境下での電流/エネルギーが使用可能か決定するバッテリ放電と摩耗の早期警告電力ネットワークの安定化を可能とする車載に対する利点: • 回生ブレーキ有効活用 • インテリジェント・オルタネータ制御 • スタート/ストップ・オートマチック/クランク予測 • バッテリエラー回避* TM External Use 10 IBAT * Automotive battery field failure rates >10,000 ppm for batteries older than 3 years! MM912x637 / MM9Z1x638 インテリジェント・バッテリ・センサ最大52V入力と厳しい環境下のアプリケーションにおいて冗長性のある動作を持ち、より低いシステム消費電力を可能にする高精度のバッテリ監視ソリューション製品概要           MCU, Flash, RAM, 通信インタフェース 3x 16 ビットADC （電流、電圧、温度） 4 セル、最大 52 V 入力をサポートマルチプル・ロー・パワー・モードマルチプル・ウェイクアップ・トリガ (電流、温度、他) コンフィギャラブル・HW フィルタ耐性のあるLIN 物理層 MM912x637: 16-bit MCU LINインタフェース対応の鉛蓄電池対象 MM9Z1x638: ハイ・エンド16-bit MCU CANまたはLINインタフェース対応の幅広いレンジのバッテリ・アプリケーション対象 7x7 mm 48 ピンQFNパッケージ TM External Use 11 アプリケーション： • • • オートモーティブ • 12V 鉛電池, 14V ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ • HVﾊﾞｯﾃﾘ･ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝBox • マルチバッテリトラック & ユーティリティ • 24V 鉛電池インダストリアル • エナジー・ストレージ(ESS) • UPS • インダストリアル・オートメーション MM912x637 / MM9Z1x638 インテリジェント・バッテリ・センサ Differentiators 動作電圧の冗長性：3 ADC パス Benefits 内蔵の機能安全サポートにより、BOMと基板スペースを削減し、お客様の開発サイクル・タイムを削減様々なアプリケーションに対応できるフハードウェアとソフトウェアの再利用ができるため、顧客のレキシビリティのある入力電圧サプライチェーンの簡素化と開発サイクル・タイムの短縮ハードウェア・フィルタは、MCUの重負荷を回避し、ソフトコンフィギャラブルなADCのハードウェウェア・フィルタよりも長いストップ・デューティ・サイクア・フィルタにより、ソフトウェアの複ル・オペレーションが可能とし高速となり、結果的に全体的雑さを軽減な平均消費電流が良くなる LIN 適合 LIN 適合により、自動車内での使用に必要な通信互換性の基準に認可された製品 ESD/EMC 堅牢性 EMC/ESD耐性は、堅牢性保護のための外付け部品を耐性を削減できる。 (BOM 削減、ボードスペースの削減) TM External Use 12 インテリジェント・バッテリ・センサ・ファミリ * x: Flash, I-96kB, J-128kB 製品型番アプリケーション MM912x637AV1 MM912x637AM2 MM9Z1x638AM4 MM9Z1x638AM2 12V 鉛バッテリ 12V 鉛バッテリ 12V 鉛バッテリ電源電圧電圧ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ内蔵 3.5V to 28V LIN, SCI, SPI 最適化された性能基本の特長電流ch 1入力電圧信号電圧ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ内蔵 3.5V to 28V LIN, SCI, SPI 最適化された性能拡張機能電流ch クランキング・モード 2入力電圧信号拡張温度センス電圧ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ内蔵 3.5V to 28V LIN, SCI, SPI 高性能拡張機能電流ch クランキング・モード 2入力電圧信号拡張温度センス 14V ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ BMS ﾏﾙﾁﾊﾞｯﾃﾘ･ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ HVﾊﾞｯﾃﾘ･ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝ Box 電圧ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ内蔵 3.5V to 28V mcCAN, LIN, SCI, SPI 高性能拡張機能電流ch クランキング・モード入力電圧:4種類の減衰比可 4入力電圧信号拡張温度センス −40℃～125℃ 通信ｲﾝﾀｰﾌｪｲｽ MCU性能特長温度範囲 −40℃～105℃ −40℃～125℃ TM External Use 13 −40℃～125℃ MCU Die - Comparison MM912x637 vs MM9Z1x638 Amplitude Controlled Low Power Pierce Osc. Internal Bus PTB [1:0] PLL with Freq. Modulation option OSC Clock Monitor Reset Generation and Test Entry MCU (637) Single-Wire Background Debug Module Benefit/Impact S12Z More performance. New compiler, minor SW adoptions needed mainly on linker level. Peripheral SW modules can be reused COP Watchdog Periodic Interrupt Interrupt Module S12Z CPU CPU Register MCU (638) CPU core S12I Debug Module include 64 byte Trace Buffer RAM ALU PC0 Flash 128k Bytes with ECC PD7 EEPROM 4k Bytes with ECC PD3 PD6 RAM 8k Byte Clock Freq PD2 D2DI PD5 PTA DDRA TxD Up to 50 Up to 32 MHz bus MHz freq. (100 MHz CPU) PD1 msCAN RxD PD4 SS Addressing PD0 SCK MOSI More performance SPI VREG 1.8V Core 2.7V Flash MISO Paging PC1 simple S/W, faster access True EEPROM. Different 4k 4k EEPROM Driver & Data Storage Data Flash/ Dataflash EEPROM System, Different Flash SW driver EEPROM with ECC with ECC (only relevant if programming feature available in boot loader) MCU Die Legend: Change vs. previous version, Validated on previous silicon /pizza mask No Change vs. previous version, AEC Q100 qualified TM External Use Linear addressing 14 RAM 6k 8k with ECC Extended to 8k, added ECC feature GPI0 Port A Yes Yes Added msCAN module msCAN no Yes Test Interface Internal Bus Analog Die - Comparison MM912x637 vs MM9Z1x638 Analog Die (637) Current Sense Module PGA with Auto Gain Control Scaling to diff shunts Reset Control Module 16 Bit - ADC Low Pass Filter And Control Vsense ADC Regulator 16 Bit - ADC Trimming / Calibration 1/ 10 Interrupt Control Module Vsup, Vsense max rating 1/ 16 VBAT Sense Module (AAF, and optional Inputs) 1/ 28 PGA 1/ 52 External Temp sense Die To Die Interface Internal Chip Temp Sense (with optional external inputs) 16 Bit ADC Wake Up Control Module (with Current Threshold and Current Averaging) Cascaded Voltage Regulators BIAS Benefit/Impact Extend to 4 inputs with attenuation, and 2 inputs, with Extended sense 4 direct inputs without attenuation capabilities attenuation (external resistor divider) Vsense3 rated 65V, for truck Higher rating for truck 42V applications applications 8 different gains, Reduced to 4 gains, auto gain changed layout to improve Better accuracy switching noise, auto gain switching Extended sense Up to 5 ext channels. 1 ext. channel capabilities, ADC Routed via port B cross check VDDX 5V – 50 mA Capability extended to 150mA CAN PHY consumption Vdda 2.5V, capability less than 2mA VDD a extended up to 4mA account for additional ext Temp sensors. LIN LIN IP for LIN 2.0 - 2.1 and J2602-1 Latest LIN IP Added TxD dominant fault detection GPI0 Port B 4 input ouput ports Port B extended to 5 pins Includes CAN wake up, ext Vsense and external T° sense CAN Wake up No msCAN CAN wake up via PTB 4 Channel Timer G P I O VDDH = 2.5V (D2D Buffer) VDDL = 2.5V (Internal Digital) VDDX = 5V (MCU, ext CAN Phy) Analog Die (638) TxD dominant fault detetction SCI LIN Physical Layer Analog Die TM External Use 15 MM912x637 / MM9Z1x638 インテリジェント・バッテリ・センサエコシステム MM9Z1x638 EVB HW 迅速にデバイスの性能を評価できる環境のご提供使いやすいグラフィカル・インタフェース • 簡単に使用できるデバッグ・ツール • CodeWarrior コンパイラ • ProgsS12 P&E • 設計を容易にするために完全テクニカル・ドキュメントデータ・シート、EVB 構成 • Safety Assessment / FMEDA : MM9Z1_638 • 外部ラボでの公式EMCレポート • 12V 鉛ﾘﾌｧﾚﾝｽ･ﾃﾞｻﾞｲﾝ HW リファレンス・デザイン • 12V PB Battery w/ LIN (J637/J638) • 12V PB Battery w/ CAN (J638) • 14V 4-cells Li-ion Battery w/ CAN and LIN (J638) 14V ﾘﾁｳﾑ･ｲｵﾝﾘﾌｧﾚﾝｽ･ﾃﾞｻﾞｲﾝ HW 使いやすいツール: ご採用に向けてのサポートテクニカル・トレーニング • FAQ • TM External Use 16 MM912x637 / MM9Z1x638インテリジェント・バッテリ・センサ鉛蓄電池アプリケーション 12 V 鉛バッテリ (CAN) 12 V 鉛バッテリ(LIN) 製品機能 • バッテリ電圧、電流、温度の測定 • キー電池特性の測定: • バッテリ充電状態 (SoC) • バッテリ劣化状態 (SoH) • 電気デバイスの動作状態 (SoF) • ホストへの通信 • ECU の電源管理 TM External Use 17 MM912x637 / MM9Z1x638 Intelligent Battery Sensor Growth Applications 9Z1638 Multiple Cells Product Function • Measurement of battery Voltage, Current &Temperature • Determination of key battery characteristics: • State of Charge (SoC) • State of Health (SoH) • State of Function (SoF) • Cell Measurement • Control of Balancing & Motor driver circuitry • Safe Communication to Host • ECU Power management Application Examples: • 4 cell Li-Ion Battery Multi- Battery HV BatteryUPS Junction Box Product Function • Measurement of battery Voltage, Current and Temperature • Determination of key battery characteristics: Product Function • Meas of stack voltage • Meas of Total Current • Meas of HV Switch position • Safe communication (CAN) to Host • State of Charge (SoC) • State of Health (SoH) • State of Function (SoF) • Communication to Host • ECU Power management Application Examples: • Truck/ light vehicles • Forklifters TM External Use 18 Application Examples: • Battery Junction Box of Auto EV/ HEV Batteries and ESS Batteries MM912x637 / MM9Z1x638 Intelligent Battery Sensor Industrial Applications 9Z1_638 Charger LCD 9Z1_638 SOC Indicator Alarm 9Z1638 DC/DC DC/DC 9Z1_638 Power / Comunication HUB Power Switch 9Z1_638 Battery UPS Battery Module Controller Product Function • Meas of Redundant Battery Module Voltages (Supervisor for safety critical measurements) • Measure Battery Module Current • SOC / SOH calculation • Charge Balance control • Fast and Safe Communication to Host using CAN) Application Examples: • Safety critical HV Batteries for Auto EV/ HEV and ESS Product Function • Input Sensing • Battery Switch Control • Boost Control • Battery Control • Buck Control • Output Sense TM External Use 19 Low-Cost Battery Controller Product Function • Meas of Battery Stack Voltage • Measure Battery Stack Current • Meas of Switch position • Control Switch pre-drivers • Control Stack of Battery Module • SOC / SOH calculation Application Examples: • E-bikes • Power tools Freescale’s Li-Ion Battery Management Solutions TM External Use 20 リチウム・イオン電池におけるバッテリ管理システムの技術課題バッテリパックは、セル不整合によるパフォーマンスを最適化するために慎重な監視と調整が必要です。 • 安全動作領域についてのモニタリング（電圧、電流、温度） • 作動装置：セル調整 • 温度管理 • バッテリ状態検出および予測安全上の課題：熱暴走 • • • • • • 寿命に対する課題外部短絡内部短絡（衝突破壊、粒子、樹状突起）過充電過放電過負荷外部過熱 TM External Use 21 • • • • • • 充電放電バッテリ充電状態セル温度温度変化バッテリ充電状態の変化 MC33771 リチウムイオン電池セル・コントローラ(BCC) 48Vおよび高電圧バッテリ管理システム向け製品概要 • • • • • • • • • • • • • • • • 9.6V ≤ VPWR ≤ 61.6V 動作電圧範囲 70V 過渡応答電圧 SPI または絶縁型半二重シリアル通信 2Mbps クーロンカウント方式によるセル電圧/電流同期測定 7 GPIO/温度センサ入力初期設定時におけるアドレス設定可能リファレンス電源出力 5.0V @ 5mA 内部診断スリープモード時における過電圧/ 不足電圧及び温度監視過電圧/不足電圧及び温度過上昇/不足の故障検出パッシブ・セル・バランシング機能搭載（300mA）セル端子オープン検出 Hot Plug可能低電力動作モード ASIL C 対応可 10x10 mm 64ピンLQFP-EPパッケージ TM External Use 22 MC33664 トランス･トランシーバ：Transformer Physical Layer(TPL) 製品概要 • • • • 絶縁型半二重シリアル通信 2Mbps トランス用差動ドライバ/レシーバ内蔵メッセージ確認用のデュアルSPI方式ウェイクアップ機能 -マスタ／スレーブによる 3.3V/5Vのロジック電圧レベル対応低消費電流スリープモード (ウェイクアップ・シーケンス自動検出可能) 超低放射妨害外部雑音に対する耐性オシレータ内蔵 16ピンSOICパッケージ 14 cells 33771 14 cells MCU • • • • • • HV BMS Current TM External Use 23 33771 33664 MC33771 / MC33664 リチウムイオン・バッテリ・セル・コントローラ・ソリューション差別化ポイント HV BMS •バッテリ・トポロジの柔軟性: • 集中型、分散型デイジーチェーン、分散型CAN • 1 AFEで48Vバッテリ対応 14 cells •高速データ収集と通信 • 2.6ms – 96セルからのデータ収集時間 • 4.5ms – 測定ポイント：セル112, 温度 56 ポイント、電流1ポイント • 各セル・インピーダンスの決定 < 65μs 33771 •デイジーチェーン通信 •ISO26262をサポート •車載堅牢性: ESD, EMC, Hot plug, AEC Q-100 •ソフト開発の単純化のためにLOWレベル・ドライバの提供 TM External Use 24 14 cells MCU • 転送スピード：2Mbps, 差動方式、プログラマブルアドレス、ウェイク・アップ対応 • 3750V 絶縁耐圧 • 適応終端抵抗内蔵、コモンモード・ノイズ耐性 • レシーバ BCI (Bulk Current Injection:妨害波電流注入試験)テスト済み (>200mA) • トランス AEC Q-200 対応 Current 33664 33771 バッテリ・セル・コントローラ(BCC)製品ファミリおよび絶縁型コミュニケーションIC TM External Use 25 バッテリ・セル・コントローラ(BCC)接続例 High Voltage Low Voltage (48V) MC33771 + MC33664 MC33771 Daisy Chain Solution SPI based solution TM External Use 26 MC33771 | MC33664 バッテリ・セル・コントローラ(BCC) 評価ツール KIT33771ASP1EVB and KIT33664EVB • Fast Evaluation of device performance − •  KIT33771ASP1EVB  KIT33664EVB Reference Designs − • Evaluation boards for MC33771 and MC33664 48 V battery management systems (BMS) Technical Documentation for ease with design − Data sheets − EVB user guide content − Safety assessment / FMEDA in development − EMC/DPI reports High voltage battery management system Freedom Platform + MC33664 + daisy chain MC33771 MC33664 MC33771 Orderable at freescale.com/analogtools MC33771 TM External Use 27 リファレンス・デザイン 48V 14 セルリチウムイオン・バッテリ・マネージメント・システム Rationale: ASIL-C safety level MC33771ATP1, MC33664ATL1, MPC5607P dual core MCU with lockstep, MC33907/8 SBC TM External Use 28 CANベース：高電圧バッテリ管理システム(HV BMS) Precharger Cell Supervising Circuits (CSC) : Measurement of cell voltage and temperature, cell balancing MC33771 Switch DC/DC MM912x637 12V Battery Sensor: Monitors state of 12V Battery. 12V Battery MC33771 Switch HV Loads HV Battery Redundant communication To BCM 12V CAN 5V PowerSBC Pack Controller: Supervision of CSC, Battery & safety algorithms Powr Mgmnt 2xCAN CANPHY PHY 3x CAN PHY Tx/Rx SPI Tx/ RX 5V TX/ RX MM9Z1x638 TX / RX 5V Isolated CAN Phy Qorivva TX/RX Dual Core MCU supervision TM External Use 29 TX / RX TX / RX MM9Z1x638 HV Battery Junction Box: Safety (Redundant) measurement of Battery Energy (Battery Stack voltage & current) and control of Safety switches デイジーチェーン：高電圧バッテリ管理システム(HV BMS) Precharger HVBMS BMSic Cells Switch Supervising Cells Supervising Circuit & Circuit Passive & Balancing Passive w/ Safety Balancing system Monitor & Control Opto coupler MC33771 DC/DC 12V Pwr Network VS1 Vhvbat Opto coupler 12V Battery MC33771 Shunt Ihvbat HV Battery VS2 ISENSEH VS U P ISENSEL VS E N S E M912J637 Switch Shunt Opto coupler HV Isolated Communication HVBMS BMSic Cells Supervising Cells Supervising Circuit & Circuit Passive & Passive Balancing w/ Safety Balancing system Monitor & Control LIN LIN GND Cell Supervising ECU HV Isolated Communication Opto coupler Cell Supervising ECU HV Pwr Network HV Loads LV Battery Sensor ECU Redundant Fault communication Daisy Chain Communication ( w/ Potential Loop Back) Line CAN 5V PowerSBC HV Isolated Communication HV Isolated Communication 12V Powr Mgmnt 2xCAN CANPHY PHY SPI TPL MC33664 MC33664 TPL SPI SPI HV Isolated Pwr Supply HV Isolated Communication TX/ RX Dual Core MCU supervision TX / RX M9Z1J638 M912J638 (Independent measurement path) HV Isolated Pwr Supply 5V HV Isolated Communication TX / RX Primary Intell. Battery Sensor M9Z1J638 M912J638 (Independent measurement path) HV Battery Management ECU (Pack Controller) TM External Use Vhvbat Ihvbat VS1 VS2 Watchdog control TX / TX / RX RX Qorivva Secondary Intell. Battery Sensor 5V 30 Vhvbat Ihvbat VS1 VS2 48Vバッテリ管理システム(BMS) Option 1: Qorivva MCU-Based Solution Precharger Switch DC/DC MC33771 HV Battery HV Loads Option 2: MM9Z1x638 based solution 48V BMS ECU 48V Pwr Network LV148: 48V Spec defined HVBMS BMSic MC33771 Cells Supervising Circuit 12V Pwr Network VS1 Vhvbat & Passive Balancing w/ Safety system Monitor & Control by VW, AUDI, BMW, Daimler, Porsche − V < 60V required due to protection against contact − 48V PowerNet shares same GND with 12V PowerNet − 12V and 48V ECUs will have physically separated GND connections − No reverse polarity protection for 48V PowerNet Vhvbat Ihvbat HV Isolated Communication SPI Ihvbat ISENSEH VS U P VS E N S E ISENSEL LIN LIN GND Shunt M912J637 Shunt VS2 12V LV Battery Sensor ECU CAN Intell. Battery Sensor M912J638 MM9Z1J638 Embedded FPU MCU Vhvbat Ihvbat VS1 VS2 TM External Use 31 Summary and Outlook TM External Use 32 まとめインテリジェント・バッテリ・センサ(BMS) MM912x637 / MM9Z1x638 フリースケールの高精度バッテリー監視ソリューションは、最大52V入力と厳しい環境下のアプリケーションにおいて冗長性のある動作を持ち、システム低消費電力を可能にします。リチウムイオン・バッテリ・セル・コントローラ(BCC) , トランス･トランシーバ (TPL) MC33771 , MC33664 フリースケールのバッテリ・セル・コントローラ・ソリューションは、低価格で堅牢な高速絶縁通信により、リチウムイオン電池制御アプリケーションに最適化な信頼性、安全性、BOMを提供します。詳細については以下のサイトをご覧ください http://www.freescale.com/Battery TM External Use 33 TM www.Freescale.com © 2014 Freescale Semiconductor, Inc. | External Use