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作者：凌力爾特公司高級應用經理Jon Munson 引言 對于被設計到 HEV、PHEV 和 EV 動力傳動系統中的電池組而言，實現高可靠性、高性能和長壽命的關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用 BMS 硬件，局限于在規模較大的裝配中。特別是，電池和相關設備的電氣噪聲工作環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內關鍵信息的傳輸。應用廣泛的 CANbus 能夠處理這類噪聲，但是原始 BMS 數據的數據吞吐量需求及其相關組件成本導致無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，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題，所采用的主要技術是“平衡”雙線 (兩條線都不接地) 差分信號。這樣允許噪聲出現在導線上，但是，因為兩條導線 (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，最簡單的方法是由纖巧的變壓器實現磁耦合。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，因此不會強烈地耦合共模噪聲。這些與非常成功的以太網雙絞線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行相應的調整以提供一種全雙工 SPI 活動變換，可支持高達 1Mbps 的信號速率，而傳輸則僅需采用單根雙絞線。圖 1 顯示了理想的 isoSPI 差分波形，描述了能夠通過變壓器耦合的無直流脈沖，不會損失信息。通過脈沖的寬度、極性和時序對傳統 SPI 信號的不同狀態變化進行編碼。 
圖 1: isoSPI 差分信號對雙絞線上的 SPI 狀態變化進行編碼 通過采用所有這些技術，isoSPI 從設計一開始就支持無誤碼傳輸，進行嚴格的大電流注入 (BCI) 干擾測試。在實際中，凌力爾特公司演示了面對超惡劣 200mA BCI 下的全面性能，在幾家主要汽車公司進行了同樣的演示，isoSPI 鏈路完全適合汽車底盤總線應用。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 鏈路接口以實現車內的消息交換。圖 2 (a) 顯示了類似的結構，只需要兩個 ADC 器件就能夠支持傳統的 SPI 數據連接。采用 SPI 信號時，為滿足安全和數據完整性需求而實現徹底的電流隔離，每一 ADC 單元都需要專用數據隔離單元。這可利用磁性、容性或光學方法從微處理器系統和 CANbus 網絡浮置電池組，但由于它們不得不處理 4 個信號通路，因此是相當昂貴的組件。
(a)
(b) 圖 2: 傳統的 BMS 隔離和 isoSPI 方法 圖 2 (b) 顯示了相同的功能，但是采用了 isoSPI 來實現。一個小型的低成本變壓器替代了數據隔離器，實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結構所要求的正確終端電阻。圖中雖然只顯示了兩個 ADC 單元，但是，一條擴展 isoSPI 總線可以服務 16 個單元。
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或點對點菊花鏈 采用簡單的點對點連接時，isoSPI 鏈路工作當然非常好，如圖 3 所示，雙端口 ADC 器件 (LTC6804-1) 能夠形成完全隔離的菊花鏈結構。總線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，一般只用到較簡單的變壓器耦合；而并行可尋址總線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，即采用很長的外露布線運作。傳統的 SPI 連接并不適合這一任務，因此，目前的電池系統需針對電子系統中的通信限制而專門定制。采用 isoSPI 解決方案，避免了這些設計限制，可以實現更好更優的機械結構。 圖 4 (a) 顯示了一個分布式菊花鏈 BMS 結構，支持以分布式網絡的方式實現任意模塊化和功能。為滿足分布式電路的要求，網絡可能有很多 ADC 器件 (LTC6804-1) 以及線束級互聯。為 ADC 信息使用 isoSPI 網絡意味著所有數據處理工作可以合并于一個微處理器電路，甚至根本不需要與任何電池單元處于同一位置。這種總體網絡的靈活性基于 isoSPI 的 BMS 系統設計實現高性能，并改善了性價比。 圖 4 (b) 示出了一種在一根多分支總線中采用 isoSPI 的分布式 BMS 結構。雖然從外部看與圖 (a) 相似 (包括汽車布線方面)，但 isoSPI 傳輸線實際上是一個信號對，其并聯所有的 ADC 器件 (多達 16 個 LTC6804-2) 并只終接總線的終端。某些總線實際上位于模塊的內部，但最終再次脫離以傳播至下一個模塊。
(a) (b) 圖 4: 采用了 isoSPI 網絡的靈活分布式 BMS 結構 圖中需要注意的一點是，當 isoSPI 部分出現線束情況時 (從而要進行 BCI 干擾測試)，在 IC 相關的 isoSPI 端口連接中放置了一個小的共模扼流圈 (CMC)。CMC 是一個很小的變壓器單元，隔離任何殘留的非常高頻 (VHF) 共模噪聲，這些噪聲可能通過耦合變壓器的線圈間電容而泄露。此外，完全隔離線束以提高完整的安全性。 面對新的挑戰 由于采用 isoSPI 結構后可減少電池模塊中的電子元器件數量，因此，更容易滿足如 ISO 26262 等新標準，而且性價比很高。例如，從冗余角度看，根據要求，只需要復制另一個 ADC ，將其加到 isoSPI 網絡中。而且，采用網絡方法支持的合并處理器功能，提供冗余數據通路甚至是雙處理器都是很簡單，而且對封裝沒有太大的影響，只是在各種模塊中根據需要增加額外的電路，以實現可靠性目標。 結論 通過整合行之有效的數據通信技術，isoSPI 提供了一種穩健和簡單的標準 SPI 設備遠程控制法，而這在以前是需要對 CANbus 進行額外的協議自適應調整。isoSPI 兩線式數據鏈路是一種具成本效益的方法，可通過 ADC 的靈活網絡化來改善電池管理系統的可靠性和結構優化。將處理器功能合并到遠離電池的地方能實現電池組模塊的簡化，從而最大限度地減少每個電池電子線路的元件數量。 |
