导言
使电池组完成牢靠性、高功用和长寿命是电池办理体系 (BMS) 的首要意图。为此，电池办理电子电路需丈量每节电池的电压，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，例如典型的轿车动力传动体系所用的电池串，模块化、散布式电池组是一种赋有吸引力的挑选。电池模块能够作为根本构件用于多种电池组规划。模块化规划还有助于优化分量散布，最大极限运用可用空间。模块化电池组的最大应战是，需求经过数据链路使电池组作为单一单元运转。
对数据通讯链路而言，有电气噪声的环境是个巨大的应战，例如典型的轿车环境。虽然 CANbus 链路与阻隔相结合可充沛按捺噪声，可是这种处理方案太杂乱、本钱很高。为了处理这个问题，凌力尔特公司开发了 isoSPI™，这是一种简略的两线适配规范串行外设接口 (SPI)。
isoSPI 接口将高达 1Mbps 的全双工 SPI 信号转换成差分信号，然后再经过双绞线对和一个简略、低本钱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督器集成了这种接口，这套模仿集成电路电池监督器用来丈量电池组中电池的电压。凌力尔特 12 节电池监督 IC LTC6811 有两个 isoSPI 端口。这两个端口使多个 LTC6811 器材能够以菊花链办法互连，以监督很长的高压电池串。经过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讯。
isoSPI 接口的作业进程
isoSPI 接口经过一个“平衡的”线对传送差分信号，两条线都不接地。这样装备后，经过外部 EMI 传递到两条线上的“共模”噪声简直相同，而所传送的差模数据信号则相对不受影响。isoSPI 接口在器材之间用一个纤巧的变压器对差分信号进行磁耦合和电气阻隔。这样就屏蔽了每个器材，防止遭到大的体系噪声所导致的较大共模电压摆幅的影响，一起能够跨过介电质势垒发送重要的差分数据。已获得巨大成功的以太网双绞线对规范也选用了与此相同的办法。此外，因为电气阻隔，所以电池组之间虽然存在很大的 DC 电压差，可是依然能够互连。挑选变压器的准则很简略，只需DC 阻隔电压适宜即可。图 1 显现了理想化的 isoSPI 差分波形，无 DC 电压的脉冲信号之后经变压器耦合，不会丢失数据。脉冲的宽度、极性和时序用来表明惯例 SPI 信号的各种状况改变。
图 1：用 isoSPI 差分信号的不同形状表明双绞线对上传送的 SPI 信号的状况改变
一切这些 isoSPI 特性都是特意指定的，以确保无差错传送数据，并经过严厉的大电流注入 (BCI) 干扰测验。实际上，凌力尔特测验显现，在超严格 200mA BCI 情况下，isoSPI 可开释悉数功用潜力，并且在首要轿车公司的测验也得到了相同成果，因而 isoSPI 链路用于车辆底盘束线配线完全合格。假如模块间有必要通讯，那么这便是一个有必要满意的要害要求，并且已然终究需求电气阻隔以确保安全，所以 isoSPI 还能够明显下降本钱。
用 isoSPI 下降杂乱性
经过将电池连至一个模仿前端 (AFE) 器材，例如凌力尔特的 LTC6811，能够构成一个 BMS。多个 AFE 器材能够互连，之后经过 CANbus 链路连至一个中央处理器。图 2(a) 显现了这样的结构，其间仅显现了两个支撑惯例 SPI 数据衔接的 AFE 器材。为供给完成安全性和数据完整性所需的电气阻隔，每个 AFE 都需求一个专用的数据阻隔器。就阻隔每个电池组与主控微处理器和 CANbus 网络而言，能够用磁、电容或光阻隔办法完成电气阻隔。运用 SPI 时，4 个 SPI 信号中的每一个都需求阻隔，这意味着巨大的本钱。
(a)
(b)
图 2：惯例 BMS 阻隔与 isoSPI 办法
图 2(b) 电路功用相同，但用 isoSPI 完成。小型、贱价变压器替代了数据阻隔器，在主处理器组件与电池组电位之间供给电气势垒。在主控微处理器端，一个小型适配器 IC (LTC6820) 供给 isoSPI 主操控器接口。图中所示 ADC 单元 (LTC6811-2) 集成了 isoSPI 隶属支撑功用，因而专一所需的附加电路是平衡传输线结构所需之适宜的无源停止组件。虽然图 2 仅显现了两个 AFE 器材，不过在单条扩展 isoSPI 总线上，能够包容多达 16 个 AFE 器材。
图 3：选用isoSPI 菊花链办法衔接的盛行 BMS 装备
isoSPI 器材支撑多分支总线或点对点菊花链衔接
isoSPI 链路选用简略的点对点衔接办法当然会作业得很好，如图 3 所示，双端口 ADC 器材 (LTC6811-1) 能够构成完全阻隔的菊花链式结构。不管是总线结构仍是菊花链结构，都存在相似的整体结构杂乱性问题，因而在详细考虑一个规划方案的各个方面时，或许会视所涉细节的不同而挑选不同的衔接办法。菊花链办法往往本钱较低，因为这种办法一般选用较低 DC 阻隔电压和较简略的变压器，但就可寻址拓扑而言，变压器有必要包括从 isoSPI 主控器材 (LTC6820) 到 AFE 的整个电压规模，这有或许是整个电池组的最大电压规模，另一方面，并联可寻址总线供给较好的毛病容限，因为都是直接与 isoSPI 主控器材通讯。为了防止 EMI 多点进入以及多路径反射问题，最好在一个电路板上完成一切总线电路，这样总线自身就很紧凑，并有或许用 PCB 地平面临其加以维护。
对 BMS 电子电路分区
isoSPI 的首要优势之一是，在点对点菊花链式装备中，答应运用很长的暴露配线。isoSPI 呈现之前，BMS 规划只能选用集中式架构，或许需求用贵重的阻隔式 CANbus 完成互连。isoSPI 接口答应采纳有用的模块化办法，并且能够发挥出模块化办法的一切优势。图 4 显现了散布式菊花链 BMS 结构，在这种结构中，电池组能够恣意组合，并作为一个散布式网络运转。满意电路散布需求需求多少 AFE 器材 (LTC6811-1) 和束线级互连，该网络就能够归入多少。选用 isoSPI 网络意味着，一切数据处理活动都能够兼并到单一微处理器电路中，并且微处理器实际上能够放置在任何地方。这种网络的整体灵敏性使根据 isoSPI 的 BMS 体系能够规划成既具有高功用，又可改进本钱效益。
图 4：选用 isoSPI 的、灵敏的散布式 BMS 结构
请注意，在图 4 中，一段 isoSPI 总线不管在哪里，只需暴露于束线级 EMC 环境中，每个 AFE IC 的停止结构中就会放入一个小型共模扼流圈 (CMC)。该 CMC 是一种十分小的变压器组件，按捺任何残留和十分高频率 (VHF) 的共模噪声，不然这种共模噪声或许经过耦合变压器的内部绕组电容走漏出去。此外，一切束线配线都是完全阻隔的，以确保完全安全。
应对新的应战
已然 isoSPI 结构使电池模块中的电子电路完成了最小化，那么就可更便利、更具本钱效益地满意 ISO 26262 等新法则的要求。以冗余这个问题为例，规划师能够简洁地依照需求给 isoSPI 网络添加额定的 AFE 电路。别的，因为选用网络办法后，兼并了处理器功用，所以供给冗余数据通路，乃至供给双处理器，都成了十分简略的工作，不会对模块封装造成大的影响。规划师能够依照需求简洁地在各种模块中添加额定的电路，以完成牢靠性方针。
定论
经过集成卓有成效的数据通讯技能，isoSPI 为规范 SPI 器材的长途操控供给了一种简洁牢靠的办法，而曾经这类器材需求额定习惯 CAN 总线协议。isoSPI 两线数据链路经过灵敏的 ADC 网络，为进步电池办理体系的牢靠性及优化其结构供给了一种具本钱效益的办法。处理器远离电池以及处理器功用兼并可简化电池组模块，然后最大极限削减每个电池所需的电子组件。
