使電池組實(shí)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(jì)。模塊化設(shè)計(jì)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。本文以凌力爾特公司的isoSPI兩線適配標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(SPI)來說明如何在汽車電源電路設(shè)計(jì)中，同步解決噪聲抑制和實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)。
 
　　isoSPI接口可將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。這個接口已經(jīng)應(yīng)用在凌力爾特的電池組監(jiān)視器方案中，用來測量電池組中電池的電壓。
 
　　下文將以凌力爾特的12節(jié)電池監(jiān)視IC LTC6811做例子，該芯片具有兩個isoSPI端口。這兩個端口能實(shí)現(xiàn)多個LTC6811器件的菊花鏈互連，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“共模”噪聲幾乎相同，而所傳送的差模數(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。 
 
　　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(shí)際上，凌力爾特測試顯示，在超嚴(yán)酷200mA BCI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，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(shí)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(shí)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。
 
   
 
　　圖2(b)電路功能相同，但用isoSPI實(shí)現(xiàn)。小型、低價(jià)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提供isoSPI主控制器接口。圖中所示ADC單元集成了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。 
 
支持多分支總線或點(diǎn)對點(diǎn)菊花鏈連接
 
　　isoSPI鏈路采用簡單的點(diǎn)對點(diǎn)連接方式當(dāng)然會工作得很好，如圖3所示，雙端口ADC器件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(jì)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?yàn)檫@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?yàn)槎际侵苯优cisoSPI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題，最好在一個電路板上實(shí)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(diǎn)對點(diǎn)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(jì)只能采用集中式架構(gòu)，或者需要用昂貴的隔離式CANbus實(shí)現(xiàn)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(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(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(tǒng)能夠設(shè)計(jì)成既具備高性能，又可改善成本效益。 
 
　　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AFE IC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(shí)現(xiàn)了最小化，那么就可更方便、更具成本效益地滿足ISO 26262等新法令的要求。以冗余這個問題為例，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)可靠性目標(biāo)。
 
 
本文小結(jié)
 
　　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。
 
作者：Jon Munson
高級應(yīng)用工程師
凌力爾特公司