如何利用isoSPI數據鏈路實(shí)現高性能車(chē)載電池管理系統？

　　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。

　　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A(yíng)DC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。

　　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。