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国内新能源汽车补贴不断下降，新能源相关企业的利润也跟着在减少，但这种利润的下降应该算是回归正常，一个行业不可能永远靠着补贴生存。在这个市场上竞争的企业马上进入完全的市场竞争，没有补贴，意味着一切成本需要完全自己承担。在利润下降的压力面前，企业能做的事情之一就是尽可能降低产品的成本，从而将其转化成自己的利润。BMS作为新能源汽车上重要的一个部件，这些年也出现了很多从降低成本出发的设计和思路。最近一两年，大家开始思考BMS架构的改变，从而能降低成本。这其中的一个思路就是采用菊花链技术。 国内BMS产品目前还是以分布式架构为主，即BMS分为主板和从板，主从板上都有微处控制器。从板采集单体电池电压和温度，通过CAN总线传给主板。主板完整BMS主要的保护和电池管理功能。现在的一个趋势或者是大家在思考的方向是，通过菊花链技术采取BMS集中式架构设计。这种架构只在BMS主板上保留微控制器，原从板简化为单纯围绕AFE芯片功能的小板，AFE采集的信息通过差分隔离信号的方式直接传送给主板。 图1 BMS架构的趋势 采用菊花链技术的集中式BMS，在成本上比原分布式架构BMS的成本优势很明显。菊花链通信取消了主从版上的CAN芯片，取而代之的是各家对应的转换芯片。这些转换芯片的成本比CAN芯片有优势。更大的部分是取消了从板上的微控制器，而且线束会有明显减少。菊花链通信需要增加的是通信隔离芯片。综合来看，菊花链结构对BMS在成本上的降低有很大帮助。 图2 BMS不同架构的成本区别 目前BMS行业的菊花链技术是各AFE芯片厂家来推动的。早期AFE芯片与微控制器通信基本都是以SPI为主，针对于菊花链通信，各芯片厂家分别开发出了AFE间差分信号通信的技术和将差分信号转换为SPI或UART等协议与微控制器通信。在这两个部分，各家都是私有协议，还没有行业通用标准出现。各家对自己的菊花链通信技术的命名也不同，比如Linear的是Iso-SPI，NXP的是TPL(Twist Pair ), Maxim的是differential daisy-chain UART。差分信号转成的与微控制器通信的串行信号类型也不一样:Linear 和NXP是SPI， Maxim是UART。另外对差分信号隔离所支持的器件也有区别，比如变压器和电容。这篇文章的目的不是为了比较各家的区别和优劣，想探讨的是在转换成菊花链架构的过程中，我们会遇到哪些挑战。因此，接下来以一个通用的方式来探讨BMS菊花链技术，其中部分细节可能因为各家产品和技术的不同有细微差别。 以一个通用的方式看待菊花链结构，BMS的主板上的微控制器通过SPI或UART串行通信接口，通过通信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板子进行通信，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板子通信。各个板子之间需要隔离通信，使用的隔离器件通常是变压器和高压电容。通常的菊花链结构差分信号连接到最后一个AFE板子就停止了。有些厂家还支持环式的菊花链，即差分信号进入最后一个AFE板子后，仍然会出来，并通过另一路通信转换芯片回到主板上的微控制器。这种模式的菊花链可以整个通信链路上实现两个方向的通信，在某个AFE板子的通信出现故障时，给用户提供多一个方式去连接后面的AFE板子。 图3 菊花链结构的通用结构 对于菊花链结构的BMS，大家关注的重心都在菊花链通信的稳定性上。我们可以根据信号流向从出发端微控制器开始，依次向后对比各处。主要从三个方面考虑：微控制器端的通信协议、通信转换芯片和差分信号传输方式、EMC性能。 1.通信协议：CAN VS SPI&UART CAN总线全程为ControllerArea Network，最早是由博世公司开发的总线。CAN总线在汽车产业应用中，以安全性、方便性、实时性、高性能和高可靠性出名。CAN总线支持多主多从系统的应用。其通信网络参考OSI的七层参考模型设计，为适应高实时性的应用要求，CAN总线网络只定义了OSI模型中最低的两层，即物理层和数据链路层。CAN总线的核心在数据链路层，在这一层包含了逻辑链路控制（LLC）层和媒体访问控制（MAC）层。MAC层主要定义的是传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。LLC层主要是报文过滤、超载通知和恢复管理。CAN总线的高可靠性很大程度上来自这两层，其中的仲裁、错误检测、标定和界定功能，能使CAN总线在比较恶劣的环境（如存在电磁干扰）下可靠工作。对于报文过滤、超载的处理和恢复的功能，在CAN网络存在工作不稳定节点等CAN网络环境恶劣的应用时，仍保证了大部分CAN节点可靠工作的可能性。 对比来看，菊花链结构下，微控制器端采用的主要是SPI和UART的通信协议。SPI和UART最初都是为了一主一从的板上应用。相对来说其物理层和数据链路层的定义比CAN总线要简单的多。菊花链结构将信号转换为差分信号后，是串行连接各AFE板子的。在各厂家定义的菊花链通信协议中，微控制器需要先为每一个AFE配置其专属的ID，然后通信中，微控制器的每帧信息都有其目的AFE的ID信息。正确接收到信息的AFE会给微控制器回应。也就是通过与CAN相同的以ID信息为标志来区分信息目的地的方式来处理，通过命令-应答的方式来保证主从之间的正确通信。但即使这种串行通信的结构，依然存在多个从节点试图同时取得总线控制权的可能性，对于这种仲裁机制或相应的措施，是我们希望在菊花链上看到的。另外就是在LLC层，参考CAN总线增加更多的机制和功能，对于提高通信稳定性无疑是有帮助的。 从功能安全的角度来看，对于通信链路的很多失效，我们都希望在通信协议上采取相应的机制去检测和处理。这方面CAN总线因为多年的应用积累，在对CAN信号E2E保护方面已经比较全面。现在汽车电子产品还一个趋势是逐渐采用AUTOSAR架构，为了能与AUTOSAR架构融合，开发中一般对CAN协议大家都是采用经过多年验证的商业CAN协议。它里面包含了很多检测机制，并且是可以直接融合在AUTOSAR架构里的。而菊花链通信因为出现的时间短，其在这方面的商业化上还有一段路要走。现在各芯片厂家也已经提供了很多通信检测机制，这就要求在开发中，开发者要把这些机制通过自己的努力，融合到整个系统中。 (未完待续) |
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