荣湃数字隔离器在分布式BMS的应用

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的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

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　　审核编辑：彭菁