在高压电池管理系统中实现可靠的数据通信

　　数据通信概要

　　数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有有线数据通信与无线数据通信之分。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。

　　数据通信传输手段

　　电缆通信

　　双绞线、同轴电缆等。市话和长途通信。 调制方式：SSB/FDM。基于同轴的PCM时分多路数字基带传输技术。 光纤将逐渐取代同轴。

　　微波中继通信

　　比较同轴电缆，易架设、投资小、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制，通信容量6000路/频道。数字微波采用BPSK、QPSK及QAM调制技术。采用64QAM、256QAM等多电平调制技术提高微波通信容量，可在40M频道内传送1920~7680路PCM数字电话。

　　光纤通信

　　是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的，具有通信容量大、通信距离长及抗干扰性强的特点。目前用于本地、长途、干线传输，并逐渐发展用户光纤通信网。目前基于长波激光器和单模光纤，每路光纤通话路数超过万门，光纤本身的通信纤力非常巨大。几十年来，光纤通信技术发展迅速，并有各种设备应用，接入设备、光电转换设备、传输设备、交换设备、网络设备等。光纤通信设备有光电转换单元和数字信号处理单元两部分组成。

　　卫星通信

　　通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技术使用模拟调制、频分多路及频分多址。 数字卫星通信采用数字调制、时分多路及时分多址。

　　移动通信

　　移动通信（Mobile communication）是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。

　　引言

　　使电池组实现可靠性、高性能和长寿命是电池管理系统（BMS）的主要目的。为此，电池管理电子电路需测量每节电池的电压，并将测得的数据发送到中央处理器。就大型高压电池串而言，例如典型的汽车动力传动系统所用的电池串，模块化、分布式电池组是一种富有吸引力的选择。电池模块可以作为基本构件用于多种电池组设计。模块化设计还有助于优化重量分布，最大限度利用可用空间。模块化电池组的最大挑战是，需要通过数据链路使电池组作为单一单元运行。

　　对数据通信链路而言，有电气噪声的环境是个巨大的挑战，例如典型的汽车环境。尽管CANbus链路与隔离相结合可充分抑制噪声，但是这种解决方案太复杂、成本很高。为了解决这个问题，凌力尔特公司开发了isoSPI™，这是一种简单的两线适配标准串行外设接口（SPI）。

　　isoSPI接口将高达1Mbps的全双工SPI信号转换成差分信号，然后再通过双绞线对和一个简单、低成本的变压器传送这个差分信号。凌力尔特最近推出的一系列电池组监视器集成了这种接口，这套模拟集成电路电池监视器用来测量电池组中电池的电压。凌力尔特12节电池监视ICLTC6811有两个isoSPI端口。这两个端口使多个LTC6811器件能够以菊花链方式互连，以监视很长的高压电池串。通过isoSPI，含有多节电池的电池模块能够与相距很远的主控处理器通信。

　　isoSPI接口的工作过程

　　isoSPI接口通过一个“平衡的”线对传送差分信号，两条线都不接地。这样配置后，通过外部EMI传递到两条线上的“共模”噪声几乎相同，而所传送的差模数据信号则相对不受影响。isoSPI接口在器件之间用一个纤巧的变压器对差分信号进行磁耦合和电气隔离。这样就屏蔽了每个器件，以免受到大的系统噪声所导致的较大共模电压摆幅的影响，同时能够跨越介电质势垒发送重要的差分数据。已取得巨大成功的以太网双绞线对标准也采用了与此相同的方法。此外，由于电气隔离，所以电池组之间尽管存在很大的DC电压差，但是仍然能够互连。选择变压器的原则很简单，只要DC隔绝电压合适即可。图1显示了理想化的isoSPI差分波形，无DC电压的脉冲信号之后经变压器耦合，不会损失数据。脉冲的宽度、极性和时序用来表示常规SPI信号的各种状态变化。

　　图1：用isoSPI差分信号的不同形态表示双绞线对上传送的SPI信号的状态变化

　　所有这些isoSPI特性都是特意指定的，以确保无差错传送数据，并通过严格的大电流注入（BCI）干扰测试。实际上，凌力尔特测试显示，在超严酷200mABCI情况下，isoSPI可释放全部性能潜力，而且在主要汽车公司的测试也得到了相同结果，因此isoSPI链路用于车辆底盘束线配线完全合格。如果模块间必须通信，那么这就是一个必须满足的关键要求，而且既然最终需要电气隔离以保证安全，所以isoSPI还可以显著降低成本。

　　用isoSPI降低复杂性

　　通过将电池连至一个模拟前端（AFE）器件，例如凌力尔特的LTC6811，可以构成一个BMS。多个AFE器件可以互连，之后通过CANbus链路连至一个中央处理器。图2（a）显示了这样的结构，其中仅显示了两个支持常规SPI数据连接的AFE器件。为提供实现安全性和数据完整性所需的电气隔离，每个AFE都需要一个专用的数据隔离器。就隔离每个电池组与主控微处理器和CANbus网络而言，可以用磁、电容或光隔离方式实现电气隔离。使用SPI时，4个SPI信号中的每一个都需要隔离，这意味着巨大的成本。

　　（a）（b）

　　图2：常规BMS隔离与isoSPI方法

　　图2（b）电路功能相同，但用isoSPI实现。小型、低价变压器取代了数据隔离器，在主处理器组件与电池组电位之间提供电气势垒。在主控微处理器端，一个小型适配器IC（LTC6820）提供isoSPI主控制器接口。图中所示ADC单元（LTC6811-2）集成了isoSPI从属支持功能，因此惟一所需的附加电路是平衡传输线结构所需之合适的无源终止组件。尽管图2仅显示了两个AFE器件，不过在单条扩展isoSPI总线上，可以容纳多达16个AFE器件。

　　图3：采用isoSPI菊花链方式连接的流行BMS配置