STM32U5在共享電車/無人機BMS中的應(yīng)用
電動自行車/電動摩托車已成為國內(nèi)主要的短途代步工具。據(jù)統(tǒng)計，截止到2020年，中國市場保有量已經(jīng)超過3億輛。
電動車電池是電動車上的動力來源，電動車上絕大多數(shù)裝的是鉛酸蓄電池。而鋰電池相比鉛酸電池具有更高的能量密度和性價比，在新國標的驅(qū)動下，將成為電動兩輪車的主流電池技術(shù)，但不可忽視的是，相比鉛酸電池，鋰電池的危險性更高，若不謹慎對待，很容易發(fā)生失火、爆炸等危險事件，這也對電動單車BMS解決方案提出了更高的要求。
STM32U5是STM32高性能低功耗系列的旗艦產(chǎn)品，它延續(xù)STM32F2/F4/F7的應(yīng)用范圍，同時又有更低的能耗，更高的可靠性和性價比，是適合電動單車BMS系統(tǒng)的理想解決方案。
BMS功能需求：實時監(jiān)測/管理電池參數(shù)
BMS系統(tǒng)能對電動單車電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進行控制。在電動單車中，鋰電池組作為核心部件之一，在制造成本中占有極高的比重。電池管理系統(tǒng)作為電動單車動力電池組的監(jiān)控管理中心，必須對電池組的溫度、電壓和充放電電流等相關(guān)參數(shù)進行實時動態(tài)的監(jiān)測和管理。
STM32U5具有很好的外設(shè)集成度。14位、12位的ADC配置，DAC，運放，比較器等豐富的模擬外設(shè)，配合2個高級電機控制定時器和多個通用定時器能很好滿足工業(yè)控制中對電機控制部分的需求。
在工業(yè)總線接口方面，STM32U5內(nèi)置了FD-CAN外設(shè)，也可以很方便進行外擴，例如通過FSMC外擴FPGA而實現(xiàn)更復(fù)雜的總線等。豐富的串行通信外設(shè)接口也方便進行傳感器采集、工業(yè)組態(tài)顯示屏等的擴展。STM32U5內(nèi)置2MB 雙Bank Flash，768KB RAM豐富的資源，對應(yīng)用開發(fā)非常友善，方便功能升級。100K次可擦寫的512KB Data Flash及方便外擴存儲的O-SPI接口等也為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時存儲記錄提供了實現(xiàn)方案。
BMS安全需求：高性能與低功耗
鋰電池一次過放電便會造成電池的永久性受損。在極端狀況下，鋰電池溫度過高或過充電會造成熱脫控，電池會裂開甚至發(fā)生爆炸。因此需通過BMS嚴控充電及放電的全過程，避免損壞電動單車電瓶。
此外，電池內(nèi)短路是最麻煩、最難明確的熱失控原因，在現(xiàn)階段，這也是電池安全領(lǐng)域的全球性難題，可能會造成嚴重的影響。并且，電池內(nèi)短路現(xiàn)在還不能從源頭上避免。而利用BMS電池管理系統(tǒng)能夠迅速鑒別電池內(nèi)短路，以達到對電池的短路保護。其雙重短路保護、雙重過流、過充、過放保護等技術(shù)，充分保障了電池的使用安全，進一步延長了電池壽命。
• 高性能
STM32U5低功耗微處理器中無與倫比的性能可幫助電動單車構(gòu)建強大的BMS管理系統(tǒng)。
高性能是STM32U5的第一個關(guān)鍵詞。STM32U5內(nèi)搭Cortex-M33 內(nèi)核，相對Cortex-M4性能提高20%以上；主頻160MHz，使STM32U5系列能達到240DMIPS和651Coremark的性能評分，而同樣采用Cortex-M33內(nèi)核的上一代產(chǎn)品STM32L5主頻為110MHz。
為了進一步增強性能，STM32U5還集成了數(shù)學運算加速器（三角函數(shù)以及數(shù)字濾波加速器CORDIC和FMAC），實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能加速同時減輕CPU負載，在電機驅(qū)動應(yīng)用實例中，可以將控制環(huán)路速度提高12%。
STM32U5還集成了用于優(yōu)化內(nèi)、外部存儲上指令與數(shù)據(jù)吞吐速度的Cache（8 kB指令Cache，4kB數(shù)據(jù)Cache）和Art加速器以及用于圖形處理加速的Chrom-Art，以實現(xiàn)更流暢更高顏值的圖形顯示界面。
STM32U5的存儲空間也進一步擴大。其Flash目前支持1MB至2MB。同時，F(xiàn)lash中包含512KB具有100K次擦寫保證，為用戶數(shù)據(jù)反復(fù)保存提高可靠性。而SRAM配備768KB，并且支持ECC，滿足關(guān)鍵安全應(yīng)用。同時，STM32U5還配備了存儲控制器接口FSMC，以及OctoSPI，支持更靈活的外部存儲擴充。
• 低功耗
為了使設(shè)備更快進入工作狀態(tài)，無人機在未使用，或電動車停止狀態(tài)下時，系統(tǒng)并不是完全斷電狀態(tài)，這時候減少電流的損耗就非常重要。人們經(jīng)常遇到電動車/無人機在充滿電狀態(tài)下，因為長時間未使用，當再次使用時卻發(fā)現(xiàn)電池沒電了，或電動車電池因長時間未使用而出現(xiàn)過放，最終無法充電。
而使用高性能低功耗MCU 可以精準控制電池工作狀態(tài)，減少電池在未使用時的電能損耗，延長整個電池的使用時間，減少充電次數(shù)，避免出現(xiàn)上述情況。
STM32U5具有先進且靈活的低功耗設(shè)計，通過多種功耗模式+更多省電小技巧實現(xiàn)超低功耗特性：
• 內(nèi)置SMPS降低內(nèi)核電壓
• 微秒級功耗模式切換
• SRAM支持分區(qū)保存
• 內(nèi)置Flash上的低功耗模式
• Power down模式 (-40μA per bank), 5 μs
自動喚醒
• Low-power模式，-45μA，降低讀取速度
BMS信息安全需求
新國標對電動自行車的技術(shù)要求作了較大調(diào)整：
• 增加了防篡改要求，防止產(chǎn)品出廠后被違規(guī)改裝；
• 預(yù)測性維護，通過NonaEdge ai/Cubeai 預(yù)測電池組合適需要維修或更換。
• 更高的性能以及更大的Flash/RAM 資源，適合運行Azure OS/ RT-Threat OS 操作系統(tǒng)
STM32U5提供更強大的安全設(shè)計，包括核心代碼的保護和信息傳輸?shù)陌踩Ｗo，層層安全，只為保護用戶的創(chuàng)新設(shè)計。
STM32U5作為第二個Cortex-M33內(nèi)核帶TrustZone的低功耗MCU，相比前一代的L5，在性能、功耗、處理能力等方面都做了大幅度升級，在安全性上也更上一層樓：
• 在系統(tǒng)隔離方面延續(xù)TrustZone架構(gòu)，實現(xiàn)了更全面系統(tǒng)隔離機制；
• 加解密引擎上除了同樣支持對稱加密算法、公鑰算法加速器、HASH和真隨機數(shù)硬件外，還增加了安全AES模塊，升級PKA，從硬件上能夠抵御DPA一類的側(cè)信道攻擊；
• 在芯片生命周期管理方面，對讀保護機制也做了改進；同樣支持BOOTLOCK功能，保證啟動入口的唯一性；
• 存儲保護方面，除了保持L5已有的功能，例如RDP，HDP，MPU，OTFDEC等等，還增加了寫保護鎖功能，可以將部分FLASH ROM化；
• 包含防入侵檢測功能，能夠?qū)υO(shè)備開蓋攻擊，對芯片運行環(huán)境如電源溫度、時鐘等的侵擾進行防護，同時還增加了對Backup寄存器的保護區(qū)功能；
• 在信任根的部分，STM32U5也提供以TF-M為參考實現(xiàn)的安全啟動和安全升級，并經(jīng)過了第三方安全認證，取得PSA和SESIP安全認證的 Level3證書；也支持安全燒錄SFI功能；
• 支持基于HUK硬件的密鑰安全存儲機制。
共享電車/無人機BMS 應(yīng)用案例
超低功耗與高性能的完美平衡，增強的信息安全功能，豐富的RAM 資源和外設(shè)接口 （CANFD, UART, IIC,SPI）使得STM32U5成為電動單車/無人機BMS系統(tǒng)的理想解決方案。
BMS系統(tǒng)能對電動單車電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進行控制。電動車停止狀態(tài)下時，系統(tǒng)并不是處于完全斷電狀態(tài)，這時減少電流的損耗就非常重要。使用STM32U5可精準控制電池工作狀態(tài)，減少電池在未使用時的電能損耗，延長整個電池的使用時間，從而減少充電次數(shù)。
高性能，低功耗，豐富的數(shù)字外設(shè)和更高性能模擬接口，強大的安全特性，以及支持GUI 加速，讓STM32U5在工業(yè)控制、工業(yè)表計和醫(yī)療健康、個人穿戴設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域取得良好的表現(xiàn)，必將為泛工業(yè)系統(tǒng)的創(chuàng)新賦能。