提高新能源汽车动力电池BMS 系统菊花链通信质量方法研究

2022-09-01罗斌

厦门科技 2022年4期

罗斌

引言

随着新能源汽车的发展，动力电池系统的技术不断进步。作为动力电池系统的大脑，电池管理系统（以下简称BMS）技术也在不断地迭代升级，逐渐朝着集成化、简单化的架构方向发展。对于部分乘用车或其他小型车辆市场，BMS 系统已经由最初的主从式架构升级成主从一体式。而对于大型商用车或部分乘用车，由于电池系统的复杂性，仍需要采用主从式架构方式。同时为了降低成本，越来越多采用主从式架构的BMS 系统厂家逐渐将主从式架构的通信方式由CAN 通信改变为菊花链通信。

相比于CAN 通信，菊花链通信省去了大量的外围电路与微控制器（以下简称CPU），不再需要单独对BMS 从控制器进行软件开发，大大节省了硬件与软件成本。虽然菊花链通信带来了更优的成本及更简单的系统架构，但其抗干扰能力相比于CAN 通信却有所下降。故如何保证新能源汽车使用过程中菊花链通信的信号传输质量是行业内研究的重点。

菊花链通信介绍

1.主从式BMS 系统的通信架构

主从式BMS 系统主要由一个BMS 主控制器板（以下简称主控）与多个从控制器板（以下简称从控）组成，主控为BMS 系统的大脑，主要负责电池系统的参数汇总、SOX 计算、故障报警、与整车通信等功能，从控为BMS 系统的四肢，将电池单体的电压、温度等信息反馈给主控，并接受主控指令对单体电池均衡。

采用CAN 通信时，系统架构为分布式，都需要有CPU，主控与从控之间通过广播方式将信息发送至CAN 总线上。在通信过程中，若其中一个节点出现故障，不影响其他节点与主控的通信。而采用菊花链通信，从控可取消CPU 与低压电源等部分硬件电路，转而采用电池采样芯片（以下简称AFE）及其外围电路加上隔离电路即可。系统架构变成集中式，信号从主控发出后可正向依次经过多个从控模块，最后再回到主控，也可以反向传输。两种通信方式的具体架构如图1 所示。

2.凌特LTC6812 菊花链通信波形

菊花链通信采用的是差分信号进行通信，其原理为由AFE 芯片将信号转换成脉冲相位调制信号（PPM），将信号的0 或1 转换成不同的脉冲波形发送出去，接收端再通过识别不同波形来进行信号传输。我们以凌特LTC6812 芯片为例来分析，其菊花链通信时主要通过长脉冲+1、长脉冲-1、短脉冲+1、短脉冲-1 共4 种波形来进行信息传播，这4 种波形用不同脉宽与电压幅值的不同正负值顺序来区分。具体波形类别及详细信息如表1 与图2 所示。

表1 LTC6812 菊花链通信信号波形类别

如表1 与图2 所示，LTC6812 通过波形正负顺序与脉宽来区分不同信号。当发射端发送出如表1 所示几种波形时，接收端接收到的信号波形要能正确识别信号，需同时满足波形幅值与持续时间的要求。

波形幅值方面，需满足+VA＞+VTCMP与-VA＜-VTCMP。具体幅值VA与判断阈值VTCMP由芯片及其外围电路RB1、RB2、RM的值来决定的。具体硬件电路如图3 所示。

具体通信波形发射电流IDRV与发射波形幅值大小计算公式如下所示。

上述公式中，RB1、RB2、RM可由硬件电路设计决定，通过这些电阻的配比来决定通信波形的发送电流I 与电压幅值VA。在波形接收时，接收到的波形幅值+VA＞+VTCMP且-VA＜-VTCMP时，即可被识别为幅值有效。

持续时间方面，接收端波形要满足t1/2PW＞tFILT与tINV＜tWNDW。长脉冲+1 与长脉冲-1 波形的tFILT标准值一般为90ns，短脉冲+1 与短脉冲-1 波形的tFILT标准值一般为25ns，故接收端波形的t1/2PW只需大于90ns 或25ns 即可被识别为有效。而tINV＜tWNDW的要求因波形周期主要取决于芯片发送，与外围电路与线束关系不大，基本都能满足要求。

菊花链通信故障分析

如图1 菊花链通信架构所示，主控发出信号依次经过多个从控模块最后传回主控中。整个过程中若其中一个节点出现故障都将会中断，导致整个通信失败，从而导致车辆运行过程中突然下高压，造成车辆安全隐患。所以菊花链通信故障分析一直是行业内研究重点。

在实际使用过程中，造成菊花链通信故障的原因有多个方面，我们采用故障树分析法分别从各零部件与软件等方面来分析菊花链通信故障产生原因。具体原因分析如图4 所示。

在图4 所示各种故障中，绝大部分故障的问题原因可以很容易被发现，通过优化设计或加强质量管控等方式可以快速解决。但线束设计问题导致的故障通常是偶发出现，不具有可重复性，售后服务人员无法让故障复现，难以追踪到具体原因，因此造成市场车辆菊花链通信故障不断爆发却迟迟无法解决。对线束设计问题导致的故障进行分析，发现菊花链通信协议行业内尚无统一标准，各AFE 厂家均采用自己私有协议，而菊花链通信采用的双绞线线束各厂家也未给出详细的线束设计要求。这就导致行业内大部分BMS 厂家选择动力电池菊花链通信线束的标准参考的是曾经使用的CAN 通信线束标准。

而CAN 通信接收信号的幅度很宽，对干扰的容忍度高，其抗干扰能力比菊花链通信更强。因此在相同标准的线束条件下，CAN 通信不会有故障发生，但菊花链通信却常会有故障发生。接下来本文通过测试不同状态线束通信情况来进一步分析线束状态对菊花链通信的影响。

线束对菊花链通信波形的影响研究

为了研究清楚双绞线的绞距、线长、屏蔽等因素对菊花链通信波形质量的影响情况，我们制作了32 种线束，在实验室分别进行不同线束菊花链通信测试，验证每种线束对波形传输质量的影响，线束状态如表2 所示。

表2 32 种线束状态类型表

测试场景如图5 所示。

测试时我们选择的BMS 硬件配置为：RB1=1.6kΩ、RB2=750Ω、RM=100Ω，采用前文提到的公式计算可得发射端波形理论发射幅值VA为851mV，接收端波形判断阈值VTCMP为319mV。

经过对32 种双绞线线束通信效果的测试，我们分别从线长、绞距、屏蔽这几个角度分析对波形传输质量的影响，得出如下结论。

1.线长影响

线长方面，我们测试了在相同绞距与屏蔽状态下线长分别为2.5m、5m、7.5m、10m 的4 种线束通信波形质量情况。采用绞距20mm 不带屏蔽线束测试，线长与接收端波形电压幅值衰减的关系如图6 所示。从图中可以得出，线长与信号衰减相关，线长越长信号电压幅值衰减越大，预测当线束长到一定值导致接收端信号电压幅值低于VTCMP时，信号传输会发生错误，通信将出现故障。

因此在使用过程中需控制线束长度，同时可通过前文公式（1）～（4）调节LTC6812 外围电路中RB1、RB2、RM的阻值来调整信号发送幅值VA与接收限制阈值VTCMP，保证线束较长时的信号传输质量。

2.绞距影响

经研究发现绞距对信号衰减影响不大，但是对信号波形质量影响较大。故在研究绞距影响时，我们通过电压有效幅值持续时间、干扰脉冲峰峰值与信号过冲峰值3 项参数来进行分析。电压有效幅值持续时间主要用于评估信号能否被有效识别，根据芯片要求接收端波形需满足|±VA|＞|±VTCMP|且t1/2PW＞90ns/25ns 才能被识别为有效；干扰脉冲峰峰值主要用于判断干扰脉冲是否会影响到识别结果，导致信号传输错误；信号过冲是因为传输线束阻抗不匹配造成的信号反射，信号过冲峰值主要也是用来判断干扰脉冲是否会影响到识别结果。这3 项参数具体所描述的内容如图7 所示，该图为长度10m、绞距20mm、不带屏蔽线束状态的通信实测波形。

为研究绞距的影响，我们测试了相同线长与屏蔽状态下绞距分别为10mm、20mm、30mm、60mm 的4 种线束波形情况，分别从上述3 项参数来分析四种绞距线束的波形质量。如表3 所示为10m 线长不带屏蔽不同绞距线束短脉冲信号接收端波形测试情况。

表3 10m 不带屏蔽线束短脉冲信号接收端波形测试结果

为保证信号质量，有效正幅值持续时间与有效负幅值持续时间需大于25ns，且越大越好；最大干扰脉冲峰峰值与信号过冲峰值需小于VTCMP,且越小越好。如表3 测试结果分析，绞距10mm 与20mm的信号质量最好。我们同样测量了其他线长与屏蔽状态下不同绞距线束的波形，结果与表3 结论一致。按照双绞线理论分析，10mm 绞距波形质量应该优于20mm 绞距，而表3 测试结果却显示10mm绞距与20mm 绞距波形质量相差不大，我们重新分析发现原因为绞距10mm 线束在制作时由于绞距太小，导致部分线束表皮存在破损。

根据上述测试结果，综合考虑线束制造方面，绞距10mm 线束在制作过程中由于绞距太小容易出现表皮破损问题，从而导致信号传输质量变差，故推荐选择绞距20mm 线束方案。