在高壓電池管理系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信 - 全文

　　數(shù)據(jù)通信概要

　　數(shù)據(jù)通信是通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據(jù)傳輸媒體的不同，有有線數(shù)據(jù)通信與無線數(shù)據(jù)通信之分。但它們都是通過傳輸信道將數(shù)據(jù)終端與計算機(jī)聯(lián)結(jié)起來，而使不同地點的數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)軟、硬件和信息資源的共享。

　　數(shù)據(jù)通信傳輸手段

　　電纜通信

　　雙絞線、同軸電纜等。市話和長途通信。 調(diào)制方式：SSB/FDM。基于同軸的PCM時分多路數(shù)字基帶傳輸技術(shù)。 光纖將逐漸取代同軸。

　　微波中繼通信

　　比較同軸電纜，易架設(shè)、投資小、周期短。模擬電話微波通信主要采用SSB/FM/FDM調(diào)制，通信容量6000路/頻道。數(shù)字微波采用BPSK、QPSK及QAM調(diào)制技術(shù)。采用64QAM、256QAM等多電平調(diào)制技術(shù)提高微波通信容量，可在40M頻道內(nèi)傳送1920~7680路PCM數(shù)字電話。

　　光纖通信

　　是利用激光在光纖中長距離傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行的，具有通信容量大、通信距離長及抗干擾性強(qiáng)的特點。目前用于本地、長途、干線傳輸，并逐漸發(fā)展用戶光纖通信網(wǎng)。目前基于長波激光器和單模光纖，每路光纖通話路數(shù)超過萬門，光纖本身的通信纖力非常巨大。幾十年來，光纖通信技術(shù)發(fā)展迅速，并有各種設(shè)備應(yīng)用，接入設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。光纖通信設(shè)備有光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字信號處理單元兩部分組成。

　　衛(wèi)星通信

　　通信距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、覆蓋面積大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技術(shù)使用模擬調(diào)制、頻分多路及頻分多址。 數(shù)字衛(wèi)星通信采用數(shù)字調(diào)制、時分多路及時分多址。

　　移動通信

　　移動通信（Mobile communication）是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機(jī)等在移動狀態(tài)中的物體。

　　引言

　　使電池組實現(xiàn)可靠性、高性能和長壽命是電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要目的。為此，電池管理電子電路需測量每節(jié)電池的電壓，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器。就大型高壓電池串而言，例如典型的汽車動力傳動系統(tǒng)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(gòu)件用于多種電池組設(shè)計。模塊化設(shè)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(zhàn)是，需要通過數(shù)據(jù)鏈路使電池組作為單一單元運(yùn)行。

　　對數(shù)據(jù)通信鏈路而言，有電氣噪聲的環(huán)境是個巨大的挑戰(zhàn)，例如典型的汽車環(huán)境。盡管CANbus鏈路與隔離相結(jié)合可充分抑制噪聲，但是這種解決方案太復(fù)雜、成本很高。為了解決這個問題，凌力爾特公司開發(fā)了isoSPI?，這是一種簡單的兩線適配標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）。

　　isoSPI接口將高達(dá)1Mbps的全雙工SPI信號轉(zhuǎn)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組監(jiān)視器集成了這種接口，這套模擬集成電路電池監(jiān)視器用來測量電池組中電池的電壓。凌力爾特12節(jié)電池監(jiān)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(jiān)視很長的高壓電池串。通過isoSPI，含有多節(jié)電池的電池模塊能夠與相距很遠(yuǎn)的主控處理器通信。

　　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?！痹肼晭缀跸嗤鶄魉偷牟钅?shù)據(jù)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(jìn)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(tǒng)噪聲所導(dǎo)致的較大共模電壓擺幅的影響，同時能夠跨越介電質(zhì)勢壘發(fā)送重要的差分?jǐn)?shù)據(jù)。已取得巨大成功的以太網(wǎng)雙絞線對標(biāo)準(zhǔn)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DC電壓的脈沖信號之后經(jīng)變壓器耦合，不會損失數(shù)據(jù)。脈沖的寬度、極性和時序用來表示常規(guī)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，以確保無差錯傳送數(shù)據(jù)，并通過嚴(yán)格的大電流注入（BCI）干擾測試。實際上，凌力爾特測試顯示，在超嚴(yán)酷200mABCI情況下，isoSPI可釋放全部性能潛力，而且在主要汽車公司的測試也得到了相同結(jié)果，因此isoSPI鏈路用于車輛底盤束線配線完全合格。如果模塊間必須通信，那么這就是一個必須滿足的關(guān)鍵要求，而且既然最終需要電氣隔離以保證安全，所以isoSPI還可以顯著降低成本。

　　用isoSPI降低復(fù)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(gòu)成一個BMS。多個AFE器件可以互連，之后通過CANbus鏈路連至一個中央處理器。圖2（a）顯示了這樣的結(jié)構(gòu)，其中僅顯示了兩個支持常規(guī)SPI數(shù)據(jù)連接的AFE器件。為提供實現(xiàn)安全性和數(shù)據(jù)完整性所需的電氣隔離，每個AFE都需要一個專用的數(shù)據(jù)隔離器。就隔離每個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現(xiàn)電氣隔離。使用SPI時，4個SPI信號中的每一個都需要隔離，這意味著巨大的成本。

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　　圖2：常規(guī)BMS隔離與isoSPI方法

　　圖2（b）電路功能相同，但用isoSPI實現(xiàn)。小型、低價變壓器取代了數(shù)據(jù)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結(jié)構(gòu)所需之合適的無源終止組件。盡管圖2僅顯示了兩個AFE器件，不過在單條擴(kuò)展isoSPI總線上，可以容納多達(dá)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(dāng)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。無論是總線結(jié)構(gòu)還是菊花鏈結(jié)構(gòu)，都存在類似的總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題，因此在具體考慮一個設(shè)計方案的各個方面時，可能會視所涉細(xì)節(jié)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?fù)涠?，變壓器必須涵蓋從isoSPI主控器件（LTC6820）到AFE的整個電壓范圍，這有可能是整個電池組的最大電壓范圍，另一方面，并聯(lián)可尋址總線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多點進(jìn)入以及多路徑反射問題，最好在一個電路板上實現(xiàn)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(hù)。

　　對BMS電子電路分區(qū)

　　isoSPI的主要優(yōu)勢之一是，在點對點菊花鏈?zhǔn)脚渲弥?，允許使用很長的裸露配線。isoSPI出現(xiàn)之前，BMS設(shè)計只能采用集中式架構(gòu)，或者需要用昂貴的隔離式CANbus實現(xiàn)互連。isoSPI接口允許采取實用的模塊化方法，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(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，電池組可以任意組合，并作為一個分布式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。滿足電路分布需求需要多少AFE器件（LTC6811-1）和束線級互連，該網(wǎng)絡(luò)就可以納入多少。采用isoSPI網(wǎng)絡(luò)意味著，所有數(shù)據(jù)處理活動都可以合并到單一微處理器電路中，而且微處理器實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(tǒng)能夠設(shè)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(jié)構(gòu)

　　請注意，在圖4中，一段isoSPI總線無論在哪里，只要裸露于束線級EMC環(huán)境中，每個AFEIC的終止結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)對新的挑戰(zhàn)

　　既然isoSPI結(jié)構(gòu)使電池模塊中的電子電路實現(xiàn)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(shè)計師可以簡便地按照需要給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(shù)據(jù)通路，甚至提供雙處理器，都成了非常簡單的事情，不會對模塊封裝造成大的影響。設(shè)計師可以按照需要簡便地在各種模塊中增加額外的電路，以實現(xiàn)可靠性目標(biāo)。

　　結(jié)論

　　通過集成行之有效的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，isoSPI為標(biāo)準(zhǔn)SPI器件的遠(yuǎn)程控制提供了一種簡便可靠的方法，而以前這類器件需要額外適應(yīng)CAN總線協(xié)議。isoSPI兩線數(shù)據(jù)鏈路通過靈活的ADC網(wǎng)絡(luò)，為提高電池管理系統(tǒng)的可靠性及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)提供了一種具成本效益的方式。處理器遠(yuǎn)離電池以及處理器功能合并可簡化電池組模塊，從而最大限度減少每個電池所需的電子組件。