在高壓電池管理系統中實現可靠的數據通信

使電池包實現可靠性、高性能和長壽命是電池管理系統(BMS)的緊要目的。為此，電池管理電子電路需測量每節電池的電壓，并將測得的數據發送到中央解決器。就大型高壓電池串而言，例如典型的汽車動力傳動系統所用的電池串，模塊化、分布式電池包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包設計。模塊化設計還有助于優化重量分布，最大限度利用可用空間。模塊化電池包的最大挑戰是，要通過數據鏈路使電池包作為單一單元運行。

對數據通信鏈路而言，有電氣噪聲的環境是個巨大的挑戰，例如典型的汽車環境。盡管CANbus鏈路與隔離相結合可充足抑制噪聲，但是這種處理辦法太復雜、成本很高。為知道決這個問題，凌力爾特公司開發了isoSpI™，這是一種簡單的兩線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包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測量電池包中電池的電壓。凌力爾特12節電池監視ICLTC6811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，以監視很長的高壓電池串。通過isoSpI，含有多節電池的電池模塊能夠與相距很遠的主控解決器通信。

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，而所傳送的差模數據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，以免受到大的系統噪聲所導致的較大共模電壓擺幅的影響，同時能夠跨過介電質勢壘發送緊要的差分數據。已取得巨大成功的以太網雙絞線對標準也采用了與此相同的辦法。此外，由于電氣隔離，所以電池包之間盡管存在很大的DC電壓差，但是依然能夠互連。選擇變壓器的原則很簡單，只要DC隔絕電壓適宜即可。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變壓器耦合，不會損失數據。脈沖的寬度、極性和時序用來表示常規SpI信號的各種狀態變化。

圖1：用isoSpI差分信號的不同形態表示雙絞線對上傳送的SpI信號的狀態變化

所有這些isoSpI特性都是特意指定的，以確保無差錯傳送數據，并通過嚴格的大電流注入(BCI)干擾探測。實際上，凌力爾特探測顯示，在超嚴酷200mABCI情況下，isoSpI可釋放全部性能潛力，而且在緊要汽車公司的探測也得到了相同結果，因此isoSpI鏈路用于車輛底盤束線配線完全合格。倘若模塊間非得通信，那么這就是一個非得滿足的關鍵要求，而且既然最終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鏈路連至一個中央解決器。圖2(a)顯示了這樣的結構，其中僅顯示了兩個支持常規SpI數據連接的AFE器件。為供應實現安全性和數據完整性所需的電氣隔離，每個AFE都要一個專用的數據隔離器。就隔離每個電池包與主控微解決器和CANbus網絡而言，可以用磁、電容或光隔離方式實現電氣隔離。使用SpI時，4個SpI信號中的每一個都要隔離，這意味著巨大的成本。

(a)(b)

圖2：常規BMS隔離與isoSpI辦法

圖2(b)電路功能相同，但用isoSpI實現。小型、低價變壓器取代了數據隔離器，在主解決器組件與電池包電位之間供應電氣勢壘。在主控微解決器端，一個小型適配器IC(LTC6820)供應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構所需之適宜的無源終止組件。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式結構。無論是總線結構還是菊花鏈結構，都存在類似的總體結構復雜性問題，因此在詳盡考慮一個設計辦法的各個方面時，可能會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隔絕電壓和較簡單的變壓器，但就可尋址拓撲而言，變壓器非得涵蓋從isoSpI主控器件(LTC6820)到AFE的整個電壓范圍，這有可能是整個電池包的最大電壓范圍，另一方面，并聯可尋址總線供應較好的故障容限，因為都是筆直與isoSpI主控器件通信。為了戒備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

isoSpI的緊要優點之一是，在點對點菊花鏈式配置中，準許使用很長的裸露配線。isoSpI出現之前，BMS設計只能采用聚集式架構，或者要用昂貴的隔離式CANbus實現互連。isoSpI接口準許采取實用的模塊化辦法，而且能夠發揮出模塊化辦法的所有優點。圖4顯示了分布式菊花鏈BMS結構，在這種結構中，電池包可以任意組合，并作為一個分布式網絡運行。滿足電路分布需求要多少AFE器件(LTC6811-1)和束線級互連，該網絡就可以納入多少。采用isoSpI網絡意味著，所有數據解決活動都可以合并到單一微解決器電路中，而且微解決器實際上可以放置在任何地方。這種網絡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

請留意，在圖4中，一段isoSpI總線無論在哪里，只要裸露于束線級EMC環境中，每個AFEIC的終止結構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。

應對新的挑戰

既然isoSpI結構使電池模塊中的電子電路實現了最小化，那么就可更方便、更具成本效益地滿足ISO26262等新法令的要求。以冗余這個問題為例，設計師可以簡便地按照要給isoSpI網絡新增額外的AFE電路。另外，由于采用網絡方式后，合并了解決器功能，所以供應冗余數據通路，甚至供應雙解決器，都成了非常簡單的事情，不會對模塊封裝造成大的影響。設計師可以按照要簡便地在各種模塊中新增額外的電路，以實現可靠性目標。

結論

通過集成行之有效的數據通信技術，isoSpI為標準SpI器件的遠程控制供應了一種簡便可靠的辦法，而往日這類器件要額外適應CAN總線協議。isoSpI兩線數據鏈路通過靈活的ADC網絡，為提高電池管理系統的可靠性及優化其結構供應了一種具成本效益的方式。解決器遠離電池以及解決器功能合并可簡化電池包模塊，從而最大限度減少每個電池所需的電子組件。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除