在高壓電池管理系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信

引言

使電池組實現(xiàn)可靠性、高性能和長壽命是電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要目的。為此，電池管理電子電路需測量每節(jié)電池的電壓，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器。就大型高壓電池串而言，例如典型的汽車動力傳動系統(tǒng)所用的電池串，模塊化、分布式電池組是一種富有吸引力的選擇。電池模塊可以作為基本構(gòu)件用于多種電池組設(shè)計。模塊化設(shè)計還有助于優(yōu)化重量分布，最大限度利用可用空間。模塊化電池組的最大挑戰(zhàn)是，需要通過數(shù)據(jù)鏈路使電池組作為單一單元運行。

對數(shù)據(jù)通信鏈路而言，有電氣噪聲的環(huán)境是個巨大的挑戰(zhàn)，例如典型的汽車環(huán)境。盡管 CANbus 鏈路與隔離相結(jié)合可充分抑制噪聲，但是這種解決方案太復(fù)雜、成本很高。為了解決這個問題，凌力爾特公司開發(fā)了 isoSPI™，這是一種簡單的兩線適配標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口 (SPI)。

isoSPI 接口將高達(dá) 1Mbps 的全雙工 SPI 信號轉(zhuǎn)換成差分信號，然后再通過雙絞線對和一個簡單、低成本的變壓器傳送這個差分信號。凌力爾特最近推出的一系列電池組監(jiān)視器集成了這種接口，這套模擬集成電路電池監(jiān)視器用來測量電池組中電池的電壓。凌力爾特 12 節(jié)電池監(jiān)視 IC LTC6811 有兩個 isoSPI 端口。這兩個端口使多個 LTC6811 器件能夠以菊花鏈方式互連，以監(jiān)視很長的高壓電池串。通過isoSPI，含有多節(jié)電池的電池模塊能夠與相距很遠(yuǎn)的主控處理器通信。

isoSPI 接口的工作過程

isoSPI 接口通過一個“平衡的”線對傳送差分信號，兩條線都不接地。這樣配置后，通過外部 EMI 傳遞到兩條線上的“共模”噪聲幾乎相同，而所傳送的差模數(shù)據(jù)信號則相對不受影響。isoSPI 接口在器件之間用一個纖巧的變壓器對差分信號進行磁耦合和電氣隔離。這樣就屏蔽了每個器件，以免受到大的系統(tǒng)噪聲所導(dǎo)致的較大共模電壓擺幅的影響，同時能夠跨越介電質(zhì)勢壘發(fā)送重要的差分?jǐn)?shù)據(jù)。已取得巨大成功的以太網(wǎng)雙絞線對標(biāo)準(zhǔn)也采用了與此相同的方法。此外，由于電氣隔離，所以電池組之間盡管存在很大的 DC 電壓差，但是仍然能夠互連。選擇變壓器的原則很簡單，只要DC 隔絕電壓合適即可。圖 1 顯示了理想化的 isoSPI 差分波形，無 DC 電壓的脈沖信號之后經(jīng)變壓器耦合，不會損失數(shù)據(jù)。脈沖的寬度、極性和時序用來表示常規(guī) SPI 信號的各種狀態(tài)變化。

圖 1：用 isoSPI 差分信號的不同形態(tài)表示雙絞線對上傳送的 SPI 信號的狀態(tài)變化

所有這些 isoSPI 特性都是特意指定的，以確保無差錯傳送數(shù)據(jù)，并通過嚴(yán)格的大電流注入 (BCI) 干擾測試。實際上，凌力爾特測試顯示，在超嚴(yán)酷 200mA BCI 情況下，isoSPI 可釋放全部性能潛力，而且在主要汽車公司的測試也得到了相同結(jié)果，因此 isoSPI 鏈路用于車輛底盤束線配線完全合格。如果模塊間必須通信，那么這就是一個必須滿足的關(guān)鍵要求，而且既然最終需要電氣隔離以保證安全，所以 isoSPI 還可以顯著降低成本。

用 isoSPI 降低復(fù)雜性

通過將電池連至一個模擬前端 (AFE) 器件，例如凌力爾特的 LTC6811，可以構(gòu)成一個 BMS。多個 AFE 器件可以互連，之后通過 CANbus 鏈路連至一個中央處理器。圖 2(a) 顯示了這樣的結(jié)構(gòu)，其中僅顯示了兩個支持常規(guī) SPI 數(shù)據(jù)連接的 AFE 器件。為提供實現(xiàn)安全性和數(shù)據(jù)完整性所需的電氣隔離，每個 AFE 都需要一個專用的數(shù)據(jù)隔離器。就隔離每個電池組與主控微處理器和 CANbus 網(wǎng)絡(luò)而言，可以用磁、電容或光隔離方式實現(xiàn)電氣隔離。使用 SPI 時，4 個 SPI 信號中的每一個都需要隔離，這意味著巨大的成本。

(a)(b)

圖 2：常規(guī) BMS 隔離與 isoSPI 方法

圖 2(b) 電路功能相同，但用 isoSPI 實現(xiàn)。小型、低價變壓器取代了數(shù)據(jù)隔離器，在主處理器組件與電池組電位之間提供電氣勢壘。在主控微處理器端，一個小型適配器 IC (LTC6820) 提供 isoSPI 主控制器接口。圖中所示 ADC 單元 (LTC6811-2) 集成了 isoSPI 從屬支持功能，因此惟一所需的附加電路是平衡傳輸線結(jié)構(gòu)所需之合適的無源終止組件。盡管圖 2 僅顯示了兩個 AFE 器件，不過在單條擴展 isoSPI 總線上，可以容納多達(dá) 16 個 AFE 器件。

圖 3：采用isoSPI 菊花鏈方式連接的流行 BMS 配置

isoSPI 器件支持多分支總線或點對點菊花鏈連接

isoSPI 鏈路采用簡單的點對點連接方式當(dāng)然會工作得很好，如圖 3 所示，雙端口 ADC 器件 (LTC6811-1) 可以形成完全隔離的菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。無論是總線結(jié)構(gòu)還是菊花鏈結(jié)構(gòu)，都存在類似的總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題，因此在具體考慮一個設(shè)計方案的各個方面時，可能會視所涉細(xì)節(jié)的不同而選擇不同的連接方式。菊花鏈方式往往成本較低，因為這種方式通常采用較低 DC 隔絕電壓和較簡單的變壓器，但就可尋址拓?fù)涠?，變壓器必須涵蓋從 isoSPI 主控器件 (LTC6820) 到 AFE 的整個電壓范圍，這有可能是整個電池組的最大電壓范圍，另一方面，并聯(lián)可尋址總線提供較好的故障容限，因為都是直接與 isoSPI 主控器件通信。為了避免 EMI 多點進入以及多路徑反射問題，最好在一個電路板上實現(xiàn)所有總線電路，這樣總線本身就很緊湊，并有可能用 PCB 地平面對其加以保護。

對 BMS 電子電路分區(qū)

isoSPI 的主要優(yōu)勢之一是，在點對點菊花鏈?zhǔn)脚渲弥校试S使用很長的裸露配線。isoSPI 出現(xiàn)之前，BMS 設(shè)計只能采用集中式架構(gòu)，或者需要用昂貴的隔離式 CANbus 實現(xiàn)互連。isoSPI 接口允許采取實用的模塊化方法，而且能夠發(fā)揮出模塊化方法的所有優(yōu)勢。圖 4 顯示了分布式菊花鏈 BMS 結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，電池組可以任意組合，并作為一個分布式網(wǎng)絡(luò)運行。滿足電路分布需求需要多少 AFE 器件 (LTC6811-1) 和束線級互連，該網(wǎng)絡(luò)就可以納入多少。采用 isoSPI 網(wǎng)絡(luò)意味著，所有數(shù)據(jù)處理活動都可以合并到單一微處理器電路中，而且微處理器實際上可以放置在任何地方。這種網(wǎng)絡(luò)的總體靈活性使基于 isoSPI 的 BMS 系統(tǒng)能夠設(shè)計成既具備高性能，又可改善成本效益。

圖 4：采用 isoSPI 的、靈活的分布式 BMS 結(jié)構(gòu)

請注意，在圖 4 中，一段 isoSPI 總線無論在哪里，只要裸露于束線級 EMC 環(huán)境中，每個 AFE IC 的終止結(jié)構(gòu)中就會放入一個小型共模扼流圈 (CMC)。該 CMC 是一種非常小的變壓器組件，抑制任何殘留和非常高頻率 (VHF) 的共模噪聲，否則這種共模噪聲可能通過耦合變壓器的內(nèi)部繞組電容泄漏出去。此外，所有束線配線都是完全隔離的，以保證徹底安全。

應(yīng)對新的挑戰(zhàn)

既然 isoSPI 結(jié)構(gòu)使電池模塊中的電子電路實現(xiàn)了最小化，那么就可更方便、更具成本效益地滿足 ISO 26262 等新法令的要求。以冗余這個問題為例，設(shè)計師可以簡便地按照需要給 isoSPI 網(wǎng)絡(luò)增加額外的 AFE 電路。另外，由于采用網(wǎng)絡(luò)方式后，合并了處理器功能，所以提供冗余數(shù)據(jù)通路，甚至提供雙處理器，都成了非常簡單的事情，不會對模塊封裝造成大的影響。設(shè)計師可以按照需要簡便地在各種模塊中增加額外的電路，以實現(xiàn)可靠性目標(biāo)。

結(jié)論

通過集成行之有效的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，isoSPI 為標(biāo)準(zhǔn) SPI 器件的遠(yuǎn)程控制提供了一種簡便可靠的方法，而以前這類器件需要額外適應(yīng) CAN 總線協(xié)議。isoSPI 兩線數(shù)據(jù)鏈路通過靈活的 ADC 網(wǎng)絡(luò)，為提高電池管理系統(tǒng)的可靠性及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)提供了一種具成本效益的方式。處理器遠(yuǎn)離電池以及處理器功能合并可簡化電池組模塊，從而最大限度減少每個電池所需的電子組件。