上下求索___ / 电池 / BMS菊花链技术探讨(一)

分享

   

BMS菊花链技术探讨(一)

2019-12-28  上下求索_...

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。

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。

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SPIUART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-SPINXP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 NXPSPI MaximUART。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SPIUART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。

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SPIUART的通信协议。SPIUART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AFEID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。

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)

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>