電池系統受益于堅固的 isoSPI 數據鏈路

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