在高壓電池管理系統中實(shí)現可靠的數據通信

引言

使電池組實(shí)現可靠性、高性能和長(cháng)壽命是電池管理系統 (BMS) 的主要目的。為此，電池管理電子電路需測量每節電池的電壓，并將測得的數據發(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(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統所用的電池串，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件用于多種電池組設計。模塊化設計還有助于優(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是，需要通過(guò)數據鏈路使電池組作為單一單元運行。

對數據通信鏈路而言，有電氣噪聲的環(huán)境是個(gè)巨大的挑戰，例如典型的汽車(chē)環(huán)境。盡管 CANbus 鏈路與隔離相結合可充分抑制噪聲，但是這種解決方案太復雜、成本很高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了 isoSPI™，這是一種簡(jiǎn)單的兩線(xiàn)適配標準串行外設接口 (SPI)。

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

isoSPI 接口的工作過(guò)程

isoSPI 接口通過(guò)一個(gè)“平衡的”線(xiàn)對傳送差分信號，兩條線(xiàn)都不接地。這樣配置后，通過(guò)外部 EMI 傳遞到兩條線(xiàn)上的“共模”噪聲幾乎相同，而所傳送的差模數據信號則相對不受影響。isoSPI 接口在器件之間用一個(gè)纖巧的變壓器對差分信號進(jìn)行磁耦合和電氣隔離。這樣就屏蔽了每個(gè)器件，以免受到大的系統噪聲所導致的較大共模電壓擺幅的影響，同時(shí)能夠跨越介電質(zhì)勢壘發(fā)送重要的差分數據。已取得巨大成功的以太網(wǎng)雙絞線(xiàn)對標準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(jiǎn)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(wú) DC 電壓的脈沖信號之后經(jīng)變壓器耦合，不會(huì )損失數據。脈沖的寬度、極性和時(shí)序用來(lái)表示常規 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(xiàn)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(wú)差錯傳送數據，并通過(guò)嚴格的大電流注入 (BCI) 干擾測試。實(shí)際上，凌力爾特測試顯示，在超嚴酷 200mA BCI 情況下，isoSPI 可釋放全部性能潛力，而且在主要汽車(chē)公司的測試也得到了相同結果，因此 isoSPI 鏈路用于車(chē)輛底盤(pán)束線(xiàn)配線(xiàn)完全合格。如果模塊間必須通信，那么這就是一個(gè)必須滿(mǎn)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(zhù)降低成本。

用 isoSPI 降低復雜性

通過(guò)將電池連至一個(gè)模擬前端 (AFE) 器件，例如凌力爾特的 LTC6811，可以構成一個(gè) BMS。多個(gè) AFE 器件可以互連，之后通過(guò) CANbus 鏈路連至一個(gè)中央處理器。圖 2(a) 顯示了這樣的結構，其中僅顯示了兩個(gè)支持常規 SPI 數據連接的 AFE 器件。為提供實(shí)現安全性和數據完整性所需的電氣隔離，每個(gè) AFE 都需要一個(gè)專(zhuān)用的數據隔離器。就隔離每個(gè)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(shí)現電氣隔離。使用 SPI 時(shí)，4 個(gè) SPI 信號中的每一個(gè)都需要隔離，這意味著(zhù)巨大的成本。

(a)(b)

圖 2：常規 BMS 隔離與 isoSPI 方法

圖 2(b) 電路功能相同，但用 isoSPI 實(shí)現。小型、低價(jià)變壓器取代了數據隔離器，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(gè)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(xiàn)結構所需之合適的無(wú)源終止組件。盡管圖 2 僅顯示了兩個(gè) AFE 器件，不過(guò)在單條擴展 isoSPI 總線(xiàn)上，可以容納多達 16 個(gè) 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(xiàn)或點(diǎn)對點(diǎn)菊花鏈連接

isoSPI 鏈路采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)連接方式當然會(huì )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式結構。無(wú)論是總線(xiàn)結構還是菊花鏈結構，都存在類(lèi)似的總體結構復雜性問(wèn)題，因此在具體考慮一個(gè)設計方案的各個(gè)方面時(shí)，可能會(huì )視所涉細節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(jiǎn)單的變壓器，但就可尋址拓撲而言，變壓器必須涵蓋從 isoSPI 主控器件 (LTC6820) 到 AFE 的整個(gè)電壓范圍，這有可能是整個(gè)電池組的最大電壓范圍，另一方面，并聯(lián)可尋址總線(xiàn)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(diǎn)進(jìn)入以及多路徑反射問(wèn)題，最好在一個(gè)電路板上實(shí)現所有總線(xiàn)電路，這樣總線(xiàn)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

isoSPI 的主要優(yōu)勢之一是，在點(diǎn)對點(diǎn)菊花鏈式配置中，允許使用很長(cháng)的裸露配線(xiàn)。isoSPI 出現之前，BMS 設計只能采用集中式架構，或者需要用昂貴的隔離式 CANbus 實(shí)現互連。isoSPI 接口允許采取實(shí)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 結構，在這種結構中，電池組可以任意組合，并作為一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )運行。滿(mǎn)足電路分布需求需要多少 AFE 器件 (LTC6811-1) 和束線(xiàn)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(zhù)，所有數據處理活動(dòng)都可以合并到單一微處理器電路中，而且微處理器實(shí)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 系統能夠設計成既具備高性能，又可改善成本效益。

圖 4：采用 isoSPI 的、靈活的分布式 BMS 結構

請注意，在圖 4 中，一段 isoSPI 總線(xiàn)無(wú)論在哪里，只要裸露于束線(xiàn)級 EMC 環(huán)境中，每個(gè) AFE IC 的終止結構中就會(huì )放入一個(gè)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(guò)耦合變壓器的內部繞組電容泄漏出去。此外，所有束線(xiàn)配線(xiàn)都是完全隔離的，以保證徹底安全。

應對新的挑戰

既然 isoSPI 結構使電池模塊中的電子電路實(shí)現了最小化，那么就可更方便、更具成本效益地滿(mǎn)足 ISO 26262 等新法令的要求。以冗余這個(gè)問(wèn)題為例，設計師可以簡(jiǎn)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，所以提供冗余數據通路，甚至提供雙處理器，都成了非常簡(jiǎn)單的事情，不會(huì )對模塊封裝造成大的影響。設計師可以按照需要簡(jiǎn)便地在各種模塊中增加額外的電路，以實(shí)現可靠性目標。

結論

通過(guò)集成行之有效的數據通信技術(shù)，isoSPI 為標準 SPI 器件的遠程控制提供了一種簡(jiǎn)便可靠的方法，而以前這類(lèi)器件需要額外適應 CAN 總線(xiàn)協(xié)議。isoSPI 兩線(xiàn)數據鏈路通過(guò)靈活的 ADC 網(wǎng)絡(luò )，為提高電池管理系統的可靠性及優(yōu)化其結構提供了一種具成本效益的方式。處理器遠離電池以及處理器功能合并可簡(jiǎn)化電池組模塊，從而最大限度減少每個(gè)電池所需的電子組件。