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作者：凌力爾特公司高級應用經(jīng)理Jon Munson 引言 對于被設計到 HEV、PHEV 和 EV 動(dòng)力傳動(dòng)系統中的電池組而言，實(shí)現高可靠性、高性能和長(cháng)壽命的關(guān)鍵因素之一是電池管理系統 (BMS) 中所使用的電子組件。目前為止，大部分電池組設計采用了集中式的實(shí)用 BMS 硬件，局限于在規模較大的裝配中。特別是，電池和相關(guān)設備的電氣噪聲工作環(huán)境對數據通信鏈路提出了非常嚴格的要求，而通信鏈路承載了車(chē)內關(guān)鍵信息的傳輸。應用廣泛的 CANbus 能夠處理這類(lèi)噪聲，但是原始 BMS 數據的數據吞吐量需求及其相關(guān)組件成本導致無(wú)法在結構化吸引的設計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。運用標準芯片級串行外設接口 (SPI) 的 isoSPI™ 物理層自適應技術(shù)，從而釋放成了本效益型分布式電池組架構的全部潛能。 isoSPI 接口是怎樣工作的 為解決復雜的干擾問(wèn)題，所采用的主要技術(shù)是“平衡”雙線(xiàn) (兩條線(xiàn)都不接地) 差分信號。這樣允許噪聲出現在導線(xiàn)上，但是，因為兩條導線(xiàn) (共模) 上的噪聲幾乎相同，因此，傳輸的差模信號相互之間相對地不受影響。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)現磁耦合。變壓器繞組耦合穿越介電勢壘的重要差異信息，但由于采用了電隔離，因此不會(huì )強烈地耦合共模噪聲。這些與非常成功的以太網(wǎng)雙絞線(xiàn)標準中所使用的方法相同。最后一方面是對信號傳輸方案進(jìn)行相應的調整以提供一種全雙工 SPI 活動(dòng)變換，可支持高達 1Mbps 的信號速率，而傳輸則僅需采用單根雙絞線(xiàn)。圖 1 顯示了理想的 isoSPI 差分波形，描述了能夠通過(guò)變壓器耦合的無(wú)直流脈沖，不會(huì )損失信息。通過(guò)脈沖的寬度、極性和時(shí)序對傳統 SPI 信號的不同狀態(tài)變化進(jìn)行編碼。 
圖 1: isoSPI 差分信號對雙絞線(xiàn)上的 SPI 狀態(tài)變化進(jìn)行編碼 通過(guò)采用所有這些技術(shù)，isoSPI 從設計一開(kāi)始就支持無(wú)誤碼傳輸，進(jìn)行嚴格的大電流注入 (BCI) 干擾測試。在實(shí)際中，凌力爾特公司演示了面對超惡劣 200mA BCI 下的全面性能，在幾家主要汽車(chē)公司進(jìn)行了同樣的演示，isoSPI 鏈路完全適合汽車(chē)底盤(pán)總線(xiàn)應用。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，電池系統在高電壓環(huán)境下安全的運轉迫切需要采用隔離方法，因此，這提供了額外的成本節省。 采用 isoSPI 降低復雜度 構建 BMS 通常涉及到連接模數轉換器 (ADC) 前端器件至處理器，這即是要與 CANbus 鏈路接口以實(shí)現車(chē)內的消息交換。圖 2 (a) 顯示了類(lèi)似的結構，只需要兩個(gè) ADC 器件就能夠支持傳統的 SPI 數據連接。采用 SPI 信號時(shí)，為滿(mǎn)足安全和數據完整性需求而實(shí)現徹底的電流隔離，每一 ADC 單元都需要專(zhuān)用數據隔離單元。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)信號通路，因此是相當昂貴的組件。
(a)
(b) 圖 2: 傳統的 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(lái)實(shí)現。一個(gè)小型的低成本變壓器替代了數據隔離器，實(shí)現主處理器單元和電池組之間的電隔離。在主微處理器側，一個(gè)小的適配器 IC (LTC6820) 提供了 isoSPI 主機接口。所示的 ADC 器件 (LTC6804-2) 具有集成型 isoSPI 從屬支持功能，因此唯一必需增設的電路是平衡傳輸線(xiàn)結構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，一條擴展 isoSPI 總線(xiàn)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(xiàn)或點(diǎn)對點(diǎn)菊花鏈 采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)連接時(shí)，isoSPI 鏈路工作當然非常好，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構�？偩�(xiàn)或者菊花鏈方法有相似的總結構復雜性，因此，不同的設計根據一些細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(xiàn)的容錯能力要好一些。 劃分 BMS 電子系統 圖 2 和圖 3 中顯示的實(shí)例電路采用了中心式體系結構，這是目前 BMS 設計比較典型的結構。然而，集中式結構并未充分利用主要的 isoSPI 功能之一，即采用很長(cháng)的外露布線(xiàn)運作。傳統的 SPI 連接并不適合這一任務(wù)，因此，目前的電池系統需針對電子系統中的通信限制而專(zhuān)門(mén)定制。采用 isoSPI 解決方案，避免了這些設計限制，可以實(shí)現更好更優(yōu)的機械結構。 圖 4 (a) 顯示了一個(gè)分布式菊花鏈 BMS 結構，支持以分布式網(wǎng)絡(luò )的方式實(shí)現任意模塊化和功能。為滿(mǎn)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(xiàn)束級互聯(lián)。為 ADC 信息使用 isoSPI 網(wǎng)絡(luò )意味著(zhù)所有數據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 系統設計實(shí)現高性能，并改善了性?xún)r(jià)比。 圖 4 (b) 示出了一種在一根多分支總線(xiàn)中采用 isoSPI 的分布式 BMS 結構。雖然從外部看與圖 (a) 相似 (包括汽車(chē)布線(xiàn)方面)，但 isoSPI 傳輸線(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)信號對，其并聯(lián)所有的 ADC 器件 (多達 16 個(gè) LTC6804-2) 并只終接總線(xiàn)的終端。某些總線(xiàn)實(shí)際上位于模塊的內部，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 結構 圖中需要注意的一點(diǎn)是，當 isoSPI 部分出現線(xiàn)束情況時(shí) (從而要進(jìn)行 BCI 干擾測試)，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(guò)耦合變壓器的線(xiàn)圈間電容而泄露。此外，完全隔離線(xiàn)束以提高完整的安全性。 面對新的挑戰 由于采用 isoSPI 結構后可減少電池模塊中的電子元器件數量，因此，更容易滿(mǎn)足如 ISO 26262 等新標準，而且性?xún)r(jià)比很高。例如，從冗余角度看，根據要求，只需要復制另一個(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，提供冗余數據通路甚至是雙處理器都是很簡(jiǎn)單，而且對封裝沒(méi)有太大的影響，只是在各種模塊中根據需要增加額外的電路，以實(shí)現可靠性目標。 結論 通過(guò)整合行之有效的數據通信技術(shù)，isoSPI 提供了一種穩健和簡(jiǎn)單的標準 SPI 設備遠程控制法，而這在以前是需要對 CANbus 進(jìn)行額外的協(xié)議自適應調整。isoSPI 兩線(xiàn)式數據鏈路是一種具成本效益的方法，可通過(guò) ADC 的靈活網(wǎng)絡(luò )化來(lái)改善電池管理系統的可靠性和結構優(yōu)化。將處理器功能合并到遠離電池的地方能實(shí)現電池組模塊的簡(jiǎn)化，從而最大限度地減少每個(gè)電池電子線(xiàn)路的元件數量。 |
