新能源汽車BMS系統

新能源汽車指采用非內燃機驅動，而使用電能、太陽能等無污染或低污染能源作為動力驅動的汽車。現階段新能源汽車的銷售主力是電動汽車和混合動力汽車。對于汽車輕混系統，需要在傳統燃油車12V蓄電池的基礎上增加48V；對于強混系統或純電動汽車，則需要在12V蓄電池的基礎上增加一個400V甚至更高電壓的動力電池。汽車中的這種多電壓系統要求必須使用隔離電路，以保護低壓側零部件和電路免受高壓電池側帶來的損害。隔離電路的設計給傳統車輛設計人員帶來了新的挑戰，同時也是電池管理系統（BMS）的最關鍵部分之一。

電池管理系統是電動汽車和混合動力汽車的核心部件，其主要作用就是保證鋰電池使用安全性、精確估算剩余電量、延長電池使用壽命并降低運行成本。隨著消費者對新能源汽車續航能力以及電池安全性的重視程度不斷提高，電池管理技術得到了迅猛發展。

BMS硬件拓撲架構主要分為集中式和分布式兩種類型，如圖1所示。集中式架構是將單體電壓采樣、溫度采集單元、電流采樣和繼電器控制等所有電路集成到一塊大的BMS板中。這種電路設計相對簡單，成本較低，主芯片與各AFE電池前端采集芯片之間的通訊也相對簡單。其缺點是單體采樣的線束比較長，整個包的線束排布也比較麻煩。因此，集中式架構比較合適電池包容量比較小、模組及電池包型式比較固定的場合。

a） 集中式

b） 分布式

BMS拓撲架構

分布式架構是將電芯管理單元（CSU）和電池管理控制器（BCU）分離開來獨立成板。BCU稱作主板，CSU是從板，一塊CSU從板可能含一片或多片AFE電池前端采集芯片。這種架構的優點是模組裝配過程簡化，通道利用率較高，系統配置靈活，適應不同容量、不同規格型式的模組和電池包。

其缺點是成本較高，各CSU需要獨立的CAN收發器配合額外的MCU與BCU進行通訊。雖然市面上已經出現了在BCU和CSU之間采用成本更低的菊花鏈通訊，但各個AFE電池前端采集芯片供應商提供的菊花鏈通訊都不兼容，并且穩定性方面也存在一定問題，如長距離通訊不穩定、BCI抗干擾能力較弱等。

榮湃數字隔離器在BMS中的應用

榮湃半導體提供完整系列的1~6路數字隔離器；1.5KV，3KV，5KV三種隔離耐壓產品可供選擇；150Kbps（U系列）、10Mbps（M系列）、200Mbps（E系列） 、600Mbps（A系列）的數據傳輸率四檔可選。此外，眾多產品通過AEC-Q100 Grade 1車規認證，十分適合用于噪聲敏感和抗干擾要求高的BMS系統設計。

榮湃數字隔離器采用自主知識產權的智能分壓技術（iDivider技術），它應用了電容分壓的原理，直接把電壓信號從電容一邊傳到另一邊，不需要RF信號和調制解調，發揚了其它隔離技術（如光耦的opto-coupler 技術，icoupler 技術，OOK技術等）的優點，也最大限度的優化了其它隔離技術的不足，是一種更本質更簡潔的隔離信號傳輸技術，智能分壓（iDivider）技術電路大大簡化，功耗更低，速度更快，抗干擾能力增強，噪聲更低。

圖2所示是集中式電池管理系統架構，所有AFE電池前端采集芯片、電池管理相關功能電路都集成在同一塊電池管理控制器中。控制器分為低壓區和高壓區：低壓區有微處理器MCU和非高壓相關電路；高壓區包含高壓采樣、電流采樣和絕緣檢測等與電池包電壓、電流相關的處理電路。在早期的設計中，高壓區也使用MCU，處理信號的同時與低壓區MCU相互監控，以滿足功能安全的要求。隨著單芯片功能安全MCU的普及，高壓區不再需要MCU，使用帶數字通訊接口的ADC即可。高壓區不管是使用MCU還是ADC，都需要使用支持SPI接口的數字隔離器進行通訊，榮湃四通道數字隔離器π141E60Q是滿足此應用的車規級產品。

圖2 榮湃數字隔離器在集中式BMS的應用

由于各個AFE電池前端采集芯片的參考地電壓均不相同，其與低壓區MCU之間的通訊也需要隔離，市面上AFE通常支持的通訊接口為UART或SPI。榮湃兩通道數字隔離器π122E61Q是一款性價比極高的支持UART通訊的車規級產品，而SPI通訊仍舊可以使用π141E60Q。

圖3所示是分布式電池管理系統架構，一個電池管理控制器（BCU）配備多個電芯管理單元（CSU）形成整個電池管理系統。同樣地，在電池管理控制器（BCU）中，同時存在高壓區與低壓區，需要用到數字隔離器。與集中式架構不同的是，AFE電池前端采集芯片處在單獨的電芯管理單元中，其與主控MCU可能離得相當遠，顯然再用板內SPI通訊不合適，需要使用魯棒性高的板間通訊方式，如CAN。CAN收發器需要配合CAN控制器才能正常工作，通常使用一個集成CAN控制器功能的小MCU實現。同樣地，因為CAN收發器需要參考低壓區地，所以AFE與CAN控制器之間的通訊需要隔離。π141E60Q和π122E61Q仍然是非常符合分布式BMS隔離應用的數字隔離器產品。

圖3 榮湃數字隔離器在分布式BMS的應用

使用菊花鏈取代CAN總線是BMS降低成本的一個重要設計思路。菊花鏈一般使用微控制器SPI或UART串行通訊接口，通過通訊轉換芯片將信號轉換為差分信號。主板以差分信號的形式與第一個AFE板子進行通訊，差分信號從第一個AFE板子出來后，依次進入后序的AFE板子，這樣主板最終得以與所有AFE板子通訊。差分信號隔離所支持的器件一般為變壓器和電容，如集中式架構板內通訊可以使用電容隔離，而分布式架構板間通訊可以使用變壓器隔離。

雖然菊花鏈技術具有非常可觀的成本優勢，但其通訊速率低、BCI抗干擾能力弱、通訊協議不兼容等缺點是亟待解決的痛點。在需要通訊數據量大、長距離穩定傳輸等高需求應用場合，CAN（FD）總線配合數字隔離器仍是不二選擇。

榮湃數字隔離器性能優勢

榮湃兩通道數字隔離器π122E61Q和四通道數字隔離器π141E60Q都具有5KVrms隔離耐壓，0.58mA/通道的超低靜態功耗，200Mbps的通訊速率，僅為9ns的低傳輸延遲。EMC問題特別是RE輻射超標是困擾BMS研發工程師的一大難題。得益于先進的iDivider技術，與其他廠商數字隔離器相比，這兩款芯片在電磁輻射和抗干擾能力上具有顯著的性能優勢，十分適合用于BMS中的SPI和UART通訊隔離。

圖4是參考CISPR 32:2015 Class B標準的榮湃四通道數字隔離器輻射發射（RE）測試結果。可以看到在30MHz~230MHz頻段和230MHz~1GHz頻段與超標限值相比都有很大的裕量。

b） 30MHz~1GHz 垂直

圖4 榮湃數字隔離器輻射發射測試結果

同樣地，榮湃數字隔離器可以通過參照IEC 61000-4-8:2009工頻磁場抗擾度實驗，滿足性能判定A等級。

榮湃半導體自推出車規級數字隔離器以來，已經成功打開新能源汽車BMS應用市場并進入國內主流OEM、電池生產商和Tier1的BMS項目中，每月都有穩步上升的大批量出貨。這些項目的順利批產和運行說明了榮湃數字隔離器產品的性能完全符合BMS項目應用，也驗證了產品質量和可靠性，滿足新能源汽車應用。

原文標題：技術課堂之十 | 榮湃數字隔離器在新能源汽車BMS中的應用及性能優勢

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