電池系統(tǒng)受益于堅(jiān)固的 isoSPI 數(shù)據(jù)鏈路

 引言

對(duì)于被設(shè)計(jì)到 HEV、PHEV 和 EV 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的電池組而言，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高性能和長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵因素之一是電池管理系統(tǒng) (BMS) 中所使用的電子組件。目前為止，大部分電池組設(shè)計(jì)采用了集中式的實(shí)用 BMS 硬件，局限于在規(guī)模較大的裝配中。特別是，電池和相關(guān)設(shè)備的電氣噪聲工作環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)通信鏈路提出了非常嚴(yán)格的要求，而通信鏈路承載了車內(nèi)關(guān)鍵信息的傳輸。應(yīng)用廣泛的 CANbus 能夠處理這類噪聲，但是原始 BMS 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)吞吐量需求及其相關(guān)組件成本導(dǎo)致無法在結(jié)構(gòu)化吸引的設(shè)計(jì)中采用模塊化和分布式電池模塊，特別是在提供好的分配重量上。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)芯片級(jí)串行外設(shè)接口 (SPI) 的 isoSPI™ 物理層自適應(yīng)技術(shù)，從而釋放成了本效益型分布式電池組架構(gòu)的全部潛能。

isoSPI 接口是怎樣工作的

為解決復(fù)雜的干擾問題，所采用的主要技術(shù)是“平衡”雙線 (兩條線都不接地) 差分信號(hào)。這樣允許噪聲出現(xiàn)在導(dǎo)線上，但是，因?yàn)閮蓷l導(dǎo)線 (共模) 上的噪聲幾乎相同，因此，傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)相互之間相對(duì)地不受影響。為處理非常大的共模噪聲侵入，還需要采用隔離方法，最簡(jiǎn)單的方法是由纖巧的變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合。變壓器繞組耦合穿越介電勢(shì)壘的重要差異信息，但由于采用了電隔離，因此不會(huì)強(qiáng)烈地耦合共模噪聲。這些與非常成功的以太網(wǎng)雙絞線標(biāo)準(zhǔn)中所使用的方法相同。最后一方面是對(duì)信號(hào)傳輸方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以提供一種全雙工 SPI 活動(dòng)變換，可支持高達(dá) 1Mbps 的信號(hào)速率，而傳輸則僅需采用單根雙絞線。圖 1 顯示了理想的 isoSPI 差分波形，描述了能夠通過變壓器耦合的無直流脈沖，不會(huì)損失信息。通過脈沖的寬度、極性和時(shí)序?qū)鹘y(tǒng) SPI 信號(hào)的不同狀態(tài)變化進(jìn)行編碼。

圖 1: isoSPI 差分信號(hào)對(duì)雙絞線上的 SPI 狀態(tài)變化進(jìn)行編碼

通過采用所有這些技術(shù)，isoSPI 從設(shè)計(jì)一開始就支持無誤碼傳輸，進(jìn)行嚴(yán)格的大電流注入 (BCI) 干擾測(cè)試。在實(shí)際中，凌力爾特公司演示了面對(duì)超惡劣 200mA BCI 下的全面性能，在幾家主要汽車公司進(jìn)行了同樣的演示，isoSPI 鏈路完全適合汽車底盤總線應(yīng)用。isoSPI 不但能夠提供模塊間通信，而且要比其他板上隔離方法成本低得多，電池系統(tǒng)在高電壓環(huán)境下安全的運(yùn)轉(zhuǎn)迫切需要采用隔離方法，因此，這提供了額外的成本節(jié)省。

采用 isoSPI 降低復(fù)雜度

構(gòu)建 BMS 通常涉及到連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 前端器件至處理器，這即是要與 CANbus 鏈路接口以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的消息交換。圖 2 (a) 顯示了類似的結(jié)構(gòu)，只需要兩個(gè) ADC 器件就能夠支持傳統(tǒng)的 SPI 數(shù)據(jù)連接。采用 SPI 信號(hào)時(shí)，為滿足安全和數(shù)據(jù)完整性需求而實(shí)現(xiàn)徹底的電流隔離，每一 ADC 單元都需要專用數(shù)據(jù)隔離單元。這可利用磁性、容性或光學(xué)方法從微處理器系統(tǒng)和 CANbus 網(wǎng)絡(luò)浮置電池組，但由于它們不得不處理 4 個(gè)信號(hào)通路，因此是相當(dāng)昂貴的組件。

(a)

(b)

圖 2: 傳統(tǒng)的 BMS 隔離和 isoSPI 方法

圖 2 (b) 顯示了相同的功能，但是采用了 isoSPI 來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)小型的低成本變壓器替代了數(shù)據(jù)隔離器，實(shí)現(xiàn)主處理器單元和電池組之間的電隔離。在主微處理器側(cè)，一個(gè)小的適配器 IC (LTC6820) 提供了 isoSPI 主機(jī)接口。所示的 ADC 器件 (LTC6804-2) 具有集成型 isoSPI 從屬支持功能，因此唯一必需增設(shè)的電路是平衡傳輸線結(jié)構(gòu)所要求的正確終端電阻。圖中雖然只顯示了兩個(gè) ADC 單元，但是，一條擴(kuò)展 isoSPI 總線可以服務(wù) 16 個(gè)單元。

圖 3: 采用 isoSPI 菊花鏈的另一種 BMS 配置

isoSPI 器件支持多分支總線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)菊花鏈

采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，isoSPI 鏈路工作當(dāng)然非常好，如圖 3 所示，雙端口 ADC 器件 (LTC6804-1) 能夠形成完全隔離的菊花鏈結(jié)構(gòu)。總線或者菊花鏈方法有相似的總結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，因此，不同的設(shè)計(jì)根據(jù)一些細(xì)微的差別而傾向于采用其中一種方法。菊花鏈方法成本要稍微低一些，它不需要地址設(shè)置功能，一般只用到較簡(jiǎn)單的變壓器耦合;而并行可尋址總線的容錯(cuò)能力要好一些。

劃分 BMS 電子系統(tǒng)

圖 2 和圖 3 中顯示的實(shí)例電路采用了中心式體系結(jié)構(gòu)，這是目前 BMS 設(shè)計(jì)比較典型的結(jié)構(gòu)。然而，集中式結(jié)構(gòu)并未充分利用主要的 isoSPI 功能之一，即采用很長(zhǎng)的外露布線運(yùn)作。傳統(tǒng)的 SPI 連接并不適合這一任務(wù)，因此，目前的電池系統(tǒng)需針對(duì)電子系統(tǒng)中的通信限制而專門定制。采用 isoSPI 解決方案，避免了這些設(shè)計(jì)限制，可以實(shí)現(xiàn)更好更優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖 4 (a) 顯示了一個(gè)分布式菊花鏈 BMS 結(jié)構(gòu)，支持以分布式網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)任意模塊化和功能。為滿足分布式電路的要求，網(wǎng)絡(luò)可能有很多 ADC 器件 (LTC6804-1) 以及線束級(jí)互聯(lián)。為 ADC 信息使用 isoSPI 網(wǎng)絡(luò)意味著所有數(shù)據(jù)處理工作可以合并于一個(gè)微處理器電路，甚至根本不需要與任何電池單元處于同一位置。這種總體網(wǎng)絡(luò)的靈活性基于 isoSPI 的 BMS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高性能，并改善了性價(jià)比。

圖 4 (b) 示出了一種在一根多分支總線中采用 isoSPI 的分布式 BMS 結(jié)構(gòu)。雖然從外部看與圖 (a) 相似 (包括汽車布線方面)，但 isoSPI 傳輸線實(shí)際上是一個(gè)信號(hào)對(duì)，其并聯(lián)所有的 ADC 器件 (多達(dá) 16 個(gè) LTC6804-2) 并只終接總線的終端。某些總線實(shí)際上位于模塊的內(nèi)部，但最終再次脫離以傳播至下一個(gè)模塊。

(a) (b)

圖 4: 采用了 isoSPI 網(wǎng)絡(luò)的靈活分布式 BMS 結(jié)構(gòu)

圖中需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng) isoSPI 部分出現(xiàn)線束情況時(shí) (從而要進(jìn)行 BCI 干擾測(cè)試)，在 IC 相關(guān)的 isoSPI 端口連接中放置了一個(gè)小的共模扼流圈 (CMC)。CMC 是一個(gè)很小的變壓器單元，隔離任何殘留的非常高頻 (VHF) 共模噪聲，這些噪聲可能通過耦合變壓器的線圈間電容而泄露。此外，完全隔離線束以提高完整的安全性。

面對(duì)新的挑戰(zhàn)

由于采用 isoSPI 結(jié)構(gòu)后可減少電池模塊中的電子元器件數(shù)量，因此，更容易滿足如 ISO 26262 等新標(biāo)準(zhǔn)，而且性價(jià)比很高。例如，從冗余角度看，根據(jù)要求，只需要復(fù)制另一個(gè) ADC ，將其加到 isoSPI 網(wǎng)絡(luò)中。而且，采用網(wǎng)絡(luò)方法支持的合并處理器功能，提供冗余數(shù)據(jù)通路甚至是雙處理器都是很簡(jiǎn)單，而且對(duì)封裝沒有太大的影響，只是在各種模塊中根據(jù)需要增加額外的電路，以實(shí)現(xiàn)可靠性目標(biāo)。

結(jié)論

通過整合行之有效的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，isoSPI 提供了一種穩(wěn)健和簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn) SPI 設(shè)備遠(yuǎn)程控制法，而這在以前是需要對(duì) CANbus 進(jìn)行額外的協(xié)議自適應(yīng)調(diào)整。isoSPI 兩線式數(shù)據(jù)鏈路是一種具成本效益的方法，可通過 ADC 的靈活網(wǎng)絡(luò)化來改善電池管理系統(tǒng)的可靠性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將處理器功能合并到遠(yuǎn)離電池的地方能實(shí)現(xiàn)電池組模塊的簡(jiǎn)化，從而最大限度地減少每個(gè)電池電子線路的元件數(shù)量。