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荣湃数字隔离器在分布式BMS的应用

gh_fb935efbb3e1 来源:荣湃半导体 作者:荣湃半导体 2022-01-05 09:18 次阅读

新能源汽车BMS系统

新能源汽车指采用非内燃机驱动,而使用电能、太阳能等无污染或低污染能源作为动力驱动的汽车。现阶段新能源汽车的销售主力是电动汽车和混合动力汽车。对于汽车轻混系统,需要在传统燃油车12V蓄电池的基础上增加48V;对于强混系统或纯电动汽车,则需要在12V蓄电池的基础上增加一个400V甚至更高电压的动力电池。汽车中的这种多电压系统要求必须使用隔离电路,以保护低压侧零部件和电路免受高压电池侧带来的损害。隔离电路的设计给传统车辆设计人员带来了新的挑战,同时也是电池管理系统(BMS)的最关键部分之一。

电池管理系统是电动汽车和混合动力汽车的核心部件,其主要作用就是保证锂电池使用安全性、精确估算剩余电量、延长电池使用寿命并降低运行成本。随着消费者对新能源汽车续航能力以及电池安全性的重视程度不断提高,电池管理技术得到了迅猛发展。

BMS硬件拓扑架构主要分为集中式和分布式两种类型,如图1所示。集中式架构是将单体电压采样、温度采集单元、电流采样和继电器控制等所有电路集成到一块大的BMS板中。这种电路设计相对简单,成本较低,主芯片与各AFE电池前端采集芯片之间的通讯也相对简单。其缺点是单体采样的线束比较长,整个包的线束排布也比较麻烦。因此,集中式架构比较合适电池包容量比较小、模组及电池包型式比较固定的场合。

a) 集中式

b) 分布式

BMS拓扑架构

分布式架构是将电芯管理单元(CSU)和电池管理控制器(BCU)分离开来独立成板。BCU称作主板,CSU是从板,一块CSU从板可能含一片或多片AFE电池前端采集芯片。这种架构的优点是模组装配过程简化,通道利用率较高,系统配置灵活,适应不同容量、不同规格型式的模组和电池包。

其缺点是成本较高,各CSU需要独立的CAN收发器配合额外的MCU与BCU进行通讯。虽然市面上已经出现了在BCU和CSU之间采用成本更低的菊花链通讯,但各个AFE电池前端采集芯片供应商提供的菊花链通讯都不兼容,并且稳定性方面也存在一定问题,如长距离通讯不稳定、BCI抗干扰能力较弱等。

荣湃数字隔离器在BMS中的应用

荣湃半导体提供完整系列的1~6路数字隔离器;1.5KV,3KV,5KV三种隔离耐压产品可供选择;150Kbps(U系列)、10Mbps(M系列)、200Mbps(E系列) 、600Mbps(A系列)的数据传输率四档可选。此外,众多产品通过AEC-Q100 Grade 1车规认证,十分适合用于噪声敏感和抗干扰要求高的BMS系统设计。

荣湃数字隔离器采用自主知识产权的智能分压技术(iDivider技术),它应用了电容分压的原理,直接把电压信号从电容一边传到另一边,不需要RF信号和调制解调,发扬了其它隔离技术(如光耦的opto-coupler 技术,icoupler 技术,OOK技术等)的优点,也最大限度的优化了其它隔离技术的不足,是一种更本质更简洁的隔离信号传输技术,智能分压(iDivider)技术电路大大简化,功耗更低,速度更快,抗干扰能力增强,噪声更低。

图2所示是集中式电池管理系统架构,所有AFE电池前端采集芯片、电池管理相关功能电路都集成在同一块电池管理控制器中。控制器分为低压区和高压区:低压区有微处理器MCU和非高压相关电路;高压区包含高压采样、电流采样和绝缘检测等与电池包电压、电流相关的处理电路。在早期的设计中,高压区也使用MCU,处理信号的同时与低压区MCU相互监控,以满足功能安全的要求。随着单芯片功能安全MCU的普及,高压区不再需要MCU,使用带数字通讯接口ADC即可。高压区不管是使用MCU还是ADC,都需要使用支持SPI接口的数字隔离器进行通讯,荣湃四通道数字隔离器π141E60Q是满足此应用的车规级产品。

图2 荣湃数字隔离器在集中式BMS的应用

由于各个AFE电池前端采集芯片的参考地电压均不相同,其与低压区MCU之间的通讯也需要隔离,市面上AFE通常支持的通讯接口为UART或SPI。荣湃两通道数字隔离器π122E61Q是一款性价比极高的支持UART通讯的车规级产品,而SPI通讯仍旧可以使用π141E60Q。

图3所示是分布式电池管理系统架构,一个电池管理控制器(BCU)配备多个电芯管理单元(CSU)形成整个电池管理系统。同样地,在电池管理控制器(BCU)中,同时存在高压区与低压区,需要用到数字隔离器。与集中式架构不同的是,AFE电池前端采集芯片处在单独的电芯管理单元中,其与主控MCU可能离得相当远,显然再用板内SPI通讯不合适,需要使用鲁棒性高的板间通讯方式,如CAN。CAN收发器需要配合CAN控制器才能正常工作,通常使用一个集成CAN控制器功能的小MCU实现。同样地,因为CAN收发器需要参考低压区地,所以AFE与CAN控制器之间的通讯需要隔离。π141E60Q和π122E61Q仍然是非常符合分布式BMS隔离应用的数字隔离器产品。

图3 荣湃数字隔离器在分布式BMS的应用

使用菊花链取代CAN总线是BMS降低成本的一个重要设计思路。菊花链一般使用微控制器SPI或UART串行通讯接口,通过通讯转换芯片将信号转换为差分信号。主板以差分信号的形式与第一个AFE板子进行通讯,差分信号从第一个AFE板子出来后,依次进入后序的AFE板子,这样主板最终得以与所有AFE板子通讯。差分信号隔离所支持的器件一般为变压器和电容,如集中式架构板内通讯可以使用电容隔离,而分布式架构板间通讯可以使用变压器隔离。

虽然菊花链技术具有非常可观的成本优势,但其通讯速率低、BCI抗干扰能力弱、通讯协议不兼容等缺点是亟待解决的痛点。在需要通讯数据量大、长距离稳定传输等高需求应用场合,CAN(FD)总线配合数字隔离器仍是不二选择。

荣湃数字隔离器性能优势

荣湃两通道数字隔离器π122E61Q和四通道数字隔离器π141E60Q都具有5KVrms隔离耐压,0.58mA/通道的超低静态功耗,200Mbps的通讯速率,仅为9ns的低传输延迟。EMC问题特别是RE辐射超标是困扰BMS研发工程师的一大难题。得益于先进的iDivider技术,与其他厂商数字隔离器相比,这两款芯片在电磁辐射和抗干扰能力上具有显著的性能优势,十分适合用于BMS中的SPI和UART通讯隔离。

图4是参考CISPR 32:2015 Class B标准的荣湃四通道数字隔离器辐射发射(RE)测试结果。可以看到在30MHz~230MHz频段和230MHz~1GHz频段与超标限值相比都有很大的裕量。

b) 30MHz~1GHz 垂直

图4 荣湃数字隔离器辐射发射测试结果

同样地,荣湃数字隔离器可以通过参照IEC 61000-4-8:2009工频磁场抗扰度实验,满足性能判定A等级。

荣湃半导体自推出车规级数字隔离器以来,已经成功打开新能源汽车BMS应用市场并进入国内主流OEM、电池生产商和Tier1的BMS项目中,每月都有稳步上升的大批量出货。这些项目的顺利批产和运行说明了荣湃数字隔离器产品的性能完全符合BMS项目应用,也验证了产品质量和可靠性,满足新能源汽车应用。

原文标题:技术课堂之十 | 荣湃数字隔离器在新能源汽车BMS中的应用及性能优势

文章出处:【微信公众号:荣湃半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

审核编辑:彭菁

原文标题:技术课堂之十 | 荣湃数字隔离器在新能源汽车BMS中的应用及性能优势

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    oelectronics HVLED001B高功率因数反激式控制器是一款增强型峰值电流模式控制器,能够着重控制高功率因数 (HPF) 反激或降压-升压。HVLED001B还可用于实现其他拓扑,如降压、升压和SEPIC。借助HVLED001B可以独立应用一次侧调节和光耦控制,在无负载条件下可实现精确调节和极低的待机功耗。ST高压技术支持将HVLED001B直接连接到输入电压,以便在无需外部元件的情况下启动器件和监控输入电压。 HVLED001B可针对异常情况提供保护,包括开路、输出短路、输入过压和欠压。主开关的开环和过流等电路故障也可得到有效控制。HVLED001B还集成了自动恢复定时器 (ART) 功能,可确保自动恢复应用,而不会降低可靠性。 特性 准谐振 (QR) 拓扑 输出电压的一次侧稳压 直接连接光耦合器,通过反馈断开检测实现电流环路调节 800V高压启动 在通用范围内实现高功率因数和低THD 在宽电压和电流范围内具有高效率和输出稳定性 极低的空载待机功耗 可编程频率折返...
    发表于 10-29 12:09 236次 阅读
    HVLED001BTR STMicroelectronics HVLED001B高功率因数反激式控制器

    STNRGPF02TR STMicroelectronics STNRGPF02和STNRGPF12PFC 数字控制器

    oelectronics STNRGPF02和STNRGPF12因数校正 (PFC) 数字控制器设计用于交错PFC升压拓扑,适用于大功率应用。STNRGPF02提供传统的涌入电流控制,通过基于继电器和限制器电阻器的机械解决方案来实现。STNRGPF12具有数字涌入电流控制功能,通过基于可控硅整流器的固态解决方案来实现。两款器件均可驱动多达2个交错通道。 STNRGPF02和STNRGPF12 PFC数字控制器在基于混合信号(模拟/数字)架构的应用中以固定频率在CCM中工作,具有平均电流模式控制。 这些控制器可通过专用软件工具 (eDesignSuite) 进行配置,以匹配各种特定应用。该工具可生成完整的原理图,其中包括完整的材料清单和最终二进制对象代码 (FW),可下载至IC。 特性 2个交错通道升压PFC 固定频率CCM平均电流模式 半数字架构 集成浪涌电流限制器功能 过流和热保护 软启动 切相功能 高工作频率 轻松集成其他应用 灵活的设计定制,可满足特...
    发表于 10-29 12:07 241次 阅读
    STNRGPF02TR STMicroelectronics STNRGPF02和STNRGPF12PFC 数字控制器

    HVLED007TR STM icroelectronics HVLED007电流模式PFC控制器

    oelectronics HVLED007电流模式PFC控制器采用特殊电路(输入电流整形器),支持高PF准谐振反激转换器从电源线中获取理论上的正弦输入电流。该IC具有一个控制输入,用于由光耦合器的光电晶体管驱动,以关闭二次侧稳压的隔离控制环路。然而,通过添加简单的外部电路,它也可用于关闭一次侧稳压的电压环路。 HVLED007具有各种保护特性,可处理过载、短路和过压情况。推拉输出电路输出级具有600mA拉电流和800mA灌电流能力,适用于大型MOSFET驱动器。得益于推拉输出电路级以及其他特性,该器件成为非常适合用于符合EN61000-3-2标准的SMPS(高达100W)的低成本解决方案。 HVLED007 PFC控制器是室内和室外固态照明应用的理想选择,具有低至-40°C的扩展工作温度范围,并可保证电气规格。 特性 对反激式PFC前置稳压器进行转换模式(准谐振)控制 专有的输入电流整形器,可实现最小的线路电流THD 用于隔离反馈和光耦合器驱动的控制输入 输出过压保护 过载和短路保护 低 (&le...
    发表于 10-28 15:08 171次 阅读
    HVLED007TR STM icroelectronics HVLED007电流模式PFC控制器

    MAX25612BATP/VY+ MaximIntegrated MAX25612高压LED控制器

    MAX25612高压LED控制器是一款单通道高亮度LED (HB LED) 驱动器,适用于汽车前灯应用。这些应用包括远光灯、近光灯、日间行车灯 (DRL)、转向指示灯、雾灯和其他LED灯。该器件的输入电压范围为5V至48V,可以驱动一个LED灯串,最大输出电压为65V。MAX25612是完全同步型器件,适合需要同步整流的升压和降压-升压应用,可提供大于90%的效率。 MAX25612可检测LED灯串高侧的输出电流。需要进行高侧电流检测,以防止输出端到接地或电池输入端发生短路。该器件也是用于驱动LED的最灵活方案,支持升压、高侧降压或降压-升压模式配置。PWM输入提供高达5000:1的LED调光比,ICTRL输入在MAX25612中提供额外的模拟调光功能。MAX25612还包括一个FLT标志,用于指示灯串开路、灯串短路和热关断。MAX25612还支持内置扩频调制,以提高电磁兼容性能。 特性 集成度高,可最大限度地减少BOM、降低成本 +5.0V至+48V的宽输入电压范围和+65V的最大升压输出 集成pMOS调光FET驱动器 用于模拟调光的ICT...
    发表于 10-28 14:57 232次 阅读
    MAX25612BATP/VY+ MaximIntegrated MAX25612高压LED控制器

    EVAL-IBD002-35W STMicroelectronics EVAL-IBD002-35W控制器评估板

    oelectronics EVAL-IBD002-35W控制器评估板设计用于演示HVLED002控制器。HVLED002控制器管理主要由D1、L1和Q1组件组成的反向降压电路,能够提供大约700mA作为最大LED负载电流。外部0V至10V信号专门用于管理调光输出LED电流(最大值的1%至100%),具有模拟 (100%至10%) 和PWM (10%至1%) 控制功能。需要15V辅助电压才能为HVLED002控制器上电。 特性 VIN - 48VDC至60VDC;VAUX - 15VDC输入电压 LED输出电压:24VDC至48VDC LED输出电流:700mA(最大值) 调光:1%至100% 低于50mW(60VIN时)直流无负载 效率 满载:>97% >95%(负载超过20%时)(模拟#...
    发表于 10-21 11:24 181次 阅读

    EVAL6227PD EVAL6227PDL6227 DMOS双路全桥驱动器 PWM电流控制器评估板

    发表于 05-20 23:05 245次 阅读

    STEVAL-ILL066V2 STEVAL-ILL066V2使用STLUX385A数字控制器100瓦LED路灯照明评估板

    STLUX385A数字控制器 高效率(92%) 初级侧控制 高达100瓦上(100伏,1 A或0.5 A 200 V) 适于LED连接单个隔离输出 宽输入电压范围:90 V至265 V AC 在STEVAL-ILL066V2评估板是一个完整的和可配置的解决方案,有效地控制使用STLUX385A数字控制器的单个,可调光,高亮度LED串。
    发表于 05-20 23:05 236次 阅读

    ST23L48A ST23L48AST23联系安全MCU具有48 KB的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt加密处理器

    型8位/ 16位ST23 CPU核心的16兆字节线性寻址存储器 用户的ROM 390千字节 用户RAM的6个字节 2千字节NESCRYPT RAM的 48个字节用户EEPROM,包括128个字节的用户OTP区的 30年的数据保存在25℃下 在25℃下500000次擦/写 1到64字节擦除或编程在1.5毫秒 工作温度:-25°至+ 85°C 增强NESCRYPT加密处理器,用于公共密钥加密 FIPS PUB 197兼容的AES加速器 使用看门狗和中断3个8位的定时器能力 ST23L48A设备是串行存取微控制器定制设计的用于安全智能卡应用程序。...
    发表于 05-20 22:05 250次 阅读

    ST23YR48 ST23YR48ST23双接口安全MCU用48千字节的EEPROM 增强的安全性和Nescrypt密码处理器 RF B型(非接触式ID-护照/ PKI)

    特性 增强型8位/ 16位ST23 CPU核心的16兆字节线性寻址存储器 390个字节用户ROM 6字节用户RAM 2千字节NESCRYPT RAM 48个字节用户EEPROM包括128个字节的用户OTP区: 30年的数据保存 1到64字节擦除或编程在1.5毫秒 增强NESCRYPT加密处理器,用于公共密钥加密 硬件安全增强DES加速器 与看门狗和中断能力三个8位定时器 3V和5V电源电压范围 外部时钟频率高达10 MHz 高性能 CPU时钟频率高达29 MHz的 省电待机状态 联系分配与ISO / IEC兼容:通过提供7816-3标准 异步收发器(IART),用于高速串行数据支持(ISO / IEC 7816-3和EMV™兼容) ESD prote ction大于5千伏(HBM)用于接触焊盘和4千伏用于非接触垫 接触设有 与ISO / IEC 14443个类型B标准的要求 13.56MHz载波频率 RF帧至多512字节 RFUART(RF通用异步收发器)高达848千位/秒 0.5千字节专用RFUART RAM BPSK - NRZ负载调制(卡到读取器) 8%至14%幅度调制的接收(读取器到卡)作为最小的范围 通过CPU的时钟频率高达设置到29兆赫加上时钟频率增强的RF性能分频器 安全性...
    发表于 05-20 22:05 341次 阅读

    STM86312 STM863121/4至十一分之一占空比VFD控制器/驱动器

    ernal resistor necessary for driver output (P-channel open drain + pull down resistor output) General purpose input port (4 bits) Many display modes (11 segments & 11 digits to 16 segments & 4 digits) Dimming circuit (eight steps) Key scanning (6 x 4 matrix) LED ports (4 chs, 20mA max) Serial interface (CLK, STB, DIN, DOUT) High-voltage output (VDD- 35V max) The STM86312 is a VFD (Vacuum Fluorescent Display) controller/driver that is driven on a 1/4 to 1/11-duty factor. It consists of 11-segments output lines, 6 grid output lines, 5 segments/grid output drive lines, a display memory, a control circuit, and a key scan circuit. Serial data are input to the STM86312 through a three-line serial interface. This VFD controller/driver is ideal as a peripheral device for a single-chip microcomputer....
    发表于 05-20 20:05 398次 阅读

    PM6776 PM6776带有PMBus 6 + 1的双通道数字VR13多相控制器™

    尔® VR13 6 + 1相紧凑数字控制器 VR13符合25MHz的SVID总线rev.1.7 高性能数字控制回路(数字STVCOT™) 专有自动调谐技术 通过PMBus的完全可配置的™ AutoDPM - 自动动态相位管理 远程感; 0.5%Vout的精度与校准 使用校准 在PM6776是被设计为功率英特尔VR13处理器的高性能数字双控制器电流监测信号:所有所需的参数是通过PMBus的™接口编程。
    发表于 05-20 19:05 428次 阅读

    EV-VNH7070AY EV-VNH7070AYVNH7070AY评估板

    的单IC应用板专用于VNH7070AY 提供电连接和热散热,易于成型 EV-VNH7070AY为您提供了一种简单的方法,以ST的VIPower M0-7 H桥驱动器连接到现有的原型电路。该评估板自带预装配有VNH7070AY H桥。电气元件的车载最小设定(作为用于设备数据表建议)使用户能够直接连接的负载,在电源与所述微控制器在没有外部部件的设计和连接的任何额外的努力。
    发表于 05-20 18:05 228次 阅读

    STSW-STPM003 STSW-STPM003为STM32F4探索套件和EVALSTPM32三相固件实现

    4个STPMs计量 用于保存参数EEPROM支持(可选) USB虚拟Com端口(VCP),用于支持GUI和LabTools Minishell(命令行分析器),用于通过USB发送命令 在UART或SPI STPM通信 STM32处理程序和驱动程序支持基于立方MX 使用STPM3x和STM32F407装置中的固件实现的三相应用的开发。它已经开发了基于STM32F407VGT与EVALSTPM32接口的STM32F4发现套件,但它可以很容易地移植到其它微控制器。
    发表于 05-20 15:05 177次 阅读

    STSW-IO-LINK STSW-IO-LINKIO-Link的演示套件固件

    包STM32微控制器ARM ®皮质® -M0 +和ARM的Cortex-M3 符合STM32Cube开发框架 在其他STM32平台便携式 基于RS-485通信的PC接口 通信层用于交换主站和传感器节点 传感器配置和传感器数据采集 快速傅立叶变换(FFT)运算,以评估振动谱 此试剂盒包括用于一个完整的固件版本STEVAL-IDP004V1和STEVAL-IDP003V1评估板,以促进在配置中,数据交换和处理方面的系统管理。它是基于STM32CubeHAL库,并使用功能强大的STM32CubeMX工具来配置微控制器和更新而不会丢失数据的创建工作区。...
    发表于 05-20 15:05 228次 阅读

    STSW-BFA001V1 STSW-BFA001V1软件包STEVAL-BFA001V1B

    固件实施例来构建应用程序状态监测和预测性维护基于三维数字加速度计,环境和声学MEMS传感器 中间件包括算法为先进的时间和频率域信号处理振动分析 可编程FFT大小(512,1024或2048点) 可编程FFT平均和重叠 可编程窗(平顶,汉宁,汉明) 速度RMS均线,加速度最大峰值 中间件集成麦克风算法: PDM到PCM 声压 音频FFT 固件包STM32F469AI开发了在不同的微控制器系列便于携带 PC数据监视通过任何游离终端模拟器 示例示范固件STEVAL-IDP004V1 IO-Link的主功能的多端口评估板和DE通信dicated PC GUI 特殊STSW-BFA1PREDMNT状态监测固件配置成与STSW-IDP4PREDMNT相互作用,并且允许经由STM32MP157C-DK2网关数据上传至云。 在固件包旨在帮助您开发基于状态监测的工业预测性维护解决方案。...
    发表于 05-20 14:05 94次 阅读

    STSW-USBPD45CFW STSW-USBPD45CFWSW包STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源适配器发货

    包与应用实例的二进制为STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源输送适配器。 应用固件基于所述认证X-CUBE-USB-PD软件设计的ARM ® 32位皮质® -M0 STM32F051 MCU和PD3.0认证STUSB1602A C型控制器。 在STSW-USBPD45CFW软件包被设计为支持STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型电源输送适配器参考设计。
    发表于 05-20 13:05 190次 阅读

    STSW-IOD003 STSW-IOD003基于STM32Cube L6362A的IO-Link通信收发器设备IC评估软件

    62A IO-Link通信收发器装置IC集成在STEVAL-IOD003V1评估板的管理驱动程序层 GPIO和IRQ的配置 用于接收和发射I / Q信道控制 故障中断处理 用于控制L6362A设备 易于在不同的微控制器系列可移植性示例应用程序,这要归功于STM32Cube 自由的,用户友好许可证条款 在STSW-IOD003是用于STEVAL-IOD003V1评估板它集成了L6362A IO-的评估软件链路收发器设备。
    发表于 05-20 13:05 171次 阅读

    EVL6564H-100W EVL6564H-100W基于所述L6564H 100瓦过渡模式PFC预调节器演示板

    压范围:90至265 VAC 最小线频率(f →):47赫兹 稳压输出电压:400伏 额定输出功率:100W 最大2F →输出电压纹波:20 V峰峰值 保持时间:10毫秒(V DROP 后保持时间:300 V) 最小开关频率:40千赫 最低估计效率: 92%(@ V 在 = 90 VAC,P OUT = 100 W) 最高环境温度:50℃ PCB类型和大小:单面为35μm,CEM-1,90×83毫米 此演示板是基于新的过渡模式PFC控制器L6564H和器具100 W,宽范围的电源输入,PFC预调节器适用于镇流器,适配器,平面屏幕显示器,并且所有具有SMPS以满足IEC61000-3-2或JEITA-MITI法规。...
    发表于 05-20 12:05 287次 阅读

    STSW-L9177A STSW-L9177AEVAL-L9177A图形用户界面

    RS232端口连接与微控制器 自动COM连接 L9177A SPI寄存器读取和写入 能够生成可编程durationactuations 可能性控制L9177A并行致动。 在STSW-L9177A是一个图形用户界面(GUI),其允许以初始化并通过SPI协议改变参数控制EVAL-L9177A评估板,管理并行PWM输入和读出的输出。该L9177A GUI已经使用Labview的开发和其使用,如微控制器接口,在SPC56M发现板。
    发表于 05-20 12:05 399次 阅读