CN218877139U - 一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，包括隔离通信电路、主设备和从设备，所述隔离通信电路的一端连接在主设备上，另一端连接在从设备上用于主设备和从设备之间的信号传输，本实用新型的一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，通过设计隔离通信电路能够解决现有技术中BMS电路相关组件的成本高的问题以及难以采用模块化和分布式电池模块的问题，本实用新型提出一种采用LC耦合方法，用以减轻高压ISOSPI系统的成本问题，无需要求磁性元件提供双重绝缘，用价格不贵、缠绕在绕线管上的共模扼流圈(CMC)组件取代专门的螺旋管型变压器磁性元件，降低成本。

Description

一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路

技术领域

本实用新型涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路。

背景技术

电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。随着电动汽车的发展，对电动汽车的BMS芯片(电池管理芯片)的需求也与日俱增，对于被设计到HEV(混动汽车)、PHEV(Plug-inhybridelectricvehicle，简称PHEV，插电混动汽车)和EV(纯电动汽车)动力传动系统中的电池组而言，实现高可靠性、高性能和长寿命的关键因素之一是电池管理系统(BMS)中所使用的电子组件。目前为止，大部分电池组设计采用了集中式的实用BMS硬件，局限于在规模较大的装配中。特别是，电池和相关设备的电气噪声工作环境对数据通信链路提出了非常严格的要求，而通信链路承载了车内关键信息的传输。应用广泛的CANbus能够处理这类噪声，但是原始BMS数据的数据吞吐量需求及其相关组件成本导致无法在结构化设计中采用模块化和分布式电池模块。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，其目的在于通过对设计的电路，降低电路相关组件的成本，同时设计的电路利用ISOSPI使BMS在结构化设计中可采用模块化和分布式电池模块。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

提供一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，包括隔离通信电路、主设备和从设备，所述隔离通信电路的一端连接在主设备上，另一端连接在从设备上用于主设备和从设备之间的信号传输。

进一步的，所述隔离通信电路包括共模扼流圈CMC1、共模扼流圈CMC2、电阻器1、电阻器2、电阻器3、电阻器4、共模扼流圈组1、共模扼流圈组2、电容器1、电容器2、电容器3、电容器4和双绞线对，所述共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚分别与主设备的IP端和IM端连接，另一端的两侧引脚分别与共模扼流圈组1一侧的两端引脚连接，所述电阻器1的两端引脚并联在共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚上，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈组1两端的中心，所述电容器3的一端连接在电阻器3的一端，另一端连接接地，所述主设备上一引脚接地，所述共模扼流圈组1的另一侧两端引脚分别与双绞线对一端的两接线连接，所述双绞线对另一端的两接线分别与电容器1的一端和电容器2的一端连接，所述共模扼流圈组2一侧的两端引脚分别与电容器1的另一端和电容器2的另一端连接，所述共模扼流圈组2另一侧的两端引脚分别与共模扼流圈CMC2一端的两侧引脚连接，所述共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚分别与从设备的IP端和ILM端连接，所述电阻器2的两端并联在共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈组2两端的中心，所述电阻器4的一端连接在电容器4的一端，所述电容器4的另一端接浮置地，所述从设备上一引脚接浮置地。

进一步的，所述共模扼流圈组1包括共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处的两侧分别形成中央抽头，所述共模扼流圈组2包括共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处的两侧分别形成中央抽头，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处两侧的中央抽头上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处两侧的中央抽头上。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，通过设计隔离通信电路能够解决现有技术中BMS电路相关组件的成本高的问题以及难以采用模块化和分布式电池模块的问题。

2、本实用新型提出一种采用LC耦合方法，用以减轻高压ISOSPI系统的成本问题，无需要求磁性元件提供双重绝缘，用价格不贵、缠绕在绕线管上的共模扼流圈(CMC)组件取代专门的螺旋管型变压器磁性元件，降低成本，电容器和CMC都是扁平的表面贴装芯片组件，价格富有竞争力，而且其高可靠性经过审查，可用于汽车系统，用于LC耦合的偏置电阻器为监视系统的电介质隔离的完整性提供了一种非常有用的途径。

3、隔离通信电路采用ISOSPI的通信方式，利用ISOSPI的通信方式使BMS在结构化设计中可采用模块化和分布式电池模块，同时隔离通信电路兼具有通信距离远、通信速率快以及通信稳定等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的整体立体结构示意图；

图2为本实用新型隔离通信电路的整体示意图；

图3为本实用新型典型ISOSPI应用电路的整体示意图；

图4为本实用新型双绞线对两端都处于浮置地电位时电路的整体示意图；

图5为本实用新型共模扼流圈组L1电路的整体立体结构分解示意图；

图6为本实用新型共模扼流圈组L2电路的整体立体结构分解示意图；

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参照图1所示，一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，包括隔离通信电路、主设备和从设备，所述隔离通信电路的一端连接在主设备上，另一端连接在从设备上用于主设备和从设备之间的信号传输，通过连接在主设备和从设备之间的隔离通信电路，使主设备和从设备之间实现通信，隔离通信电路应用ISOSPI实现主设备和从设备之间的通信，ISOSPI是一种新型的高速隔离通信协议，具有通信距离远、通信速率快以及通信稳定等优点，广泛应用于计算机与BMS芯片之间的通信，运用标准芯片级串行外设接口(SPI)的ISOSPI物理层自适应技术，从而释放了分布式电池组架构的全部潜能，SPI是串行外设接口(Serial PeripheralInterface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，简单易用，SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(用于单向传输时，也就是半双工方式)，也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)，内置到BMS芯片中的ISOSPI功能与ISOSPI通信接口相结合，可以跨高压势垒提供安全可靠的信息传输，在通过存储单元串联连接产生数百伏电压的能量存储系统中，ISOSPI尤其有用，主设备和从设备通过采用隔离通信电路实现远距离、稳定快速通信。

参照图2、图3、图4所示，所述隔离通信电路包括共模扼流圈CMC1、共模扼流圈CMC2、电阻器1、电阻器2、电阻器3、电阻器4、共模扼流圈组1、共模扼流圈组2、电容器1、电容器2、电容器3、电容器4和双绞线对，所述共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚分别与主设备的IP端和IM端连接，另一端的两侧引脚分别与共模扼流圈组1一侧的两端引脚连接，所述电阻器1的两端引脚并联在共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚上，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈组1两端的中心，所述电容器3的一端连接在电阻器3的一端，另一端连接接地，所述主设备上一引脚接地，所述共模扼流圈组1的另一侧两端引脚分别与双绞线对一端的两接线连接，所述双绞线对另一端的两接线分别与电容器1的一端和电容器2的一端连接，所述共模扼流圈组2一侧的两端引脚分别与电容器1的另一端和电容器2的另一端连接，所述共模扼流圈组2另一侧的两端引脚分别与共模扼流圈CMC2一端的两侧引脚连接，所述共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚分别与从设备的IP端和ILM端连接，所述电阻器2的两端并联在共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈组2两端的中心，所述电阻器4的一端连接在电容器4的一端，所述电容器4的另一端接浮置地，所述从设备上一引脚接浮置地，为解决ISOSPI接口复杂的干扰问题，所采用的重要技术是“平衡”双线(两条线都不接地)差分信号，这样允许噪声出现在导线上，但是，因为两条导线(共模)上的噪声几乎相同，因此，传输的差模信号相互之间相对地不受影响，为处理非常大的共模噪声侵入，还要采用隔离方法，最简单的方法是由纤巧的变压器实现磁耦合，变压器绕组耦合穿越介电势垒的重要差异信息，但由于采用了电隔离，因此不会强烈地耦合共模噪声，这些与非常成功的以太网双绞线标准中所使用的方法相同，最后一方面是对信号传输方法进行相应的调整以供应一种全双工SPI活动变换，可支持高达1Mbps的信号速率，而传输则仅需采用单根双绞线，通过整合行之有效的数据通信技术，ISOSPI提供了一种稳健和简单的标准SPI设备远程控制法，而在这以前是需要对CANbus进行额外的协议自适应调整，ISOSPI两线式数据链路是一种极具成本效益的方法，可通过ADC的灵活网络化来改善电池管理系统的可靠性和结构优化，在通过存储单元串联连接产生数百伏电压的能量存储系统中，ISOSPI尤其有用，这类系统需要彻底的电介质隔离，以最大限度地减少对人员的危害，在典型ISOSPI应用中，脉冲变压器提供电介质隔离，抑制可能对配线系统产生重大影响的共模干扰，用很容易买到、价格不贵的以太网LAN磁性元件TC就可以实现ISOSPI功能，实现该功能的电路一般包括一个改善共模线路噪声性能的共模扼流圈部分以及很有用的100Ω线路终端电阻器RT和共模去耦电容器CF，普通信号变压器(包括以太网和栅极驱动器型)是用漆包绝缘线缠绕的，这可能有针孔大小的绝缘缺陷，使铜线暴露于空气之中，这固有地限制了绕组之间的偏置，而绕组间偏置正是对此类变压器进行认证的依据，在生产中，用高压(称为hi-pot筛选)测试这类变压器，以确定总的绝缘问题，一般为1.5kV，这一绝缘电压是针对60V长期偏置设定的安全设计裕度，因为在微小腐蚀的环境中，往往需要超过60V的电压才能在绕组之间构成传导通路，问题在于高压等于高成本，就400V范围的电池组电压而言，良好的设计实践是，采用加强(双重)绝缘，用高达3750V或更高的电压进行hi-pot测试，以此确定变压器的性能规格，由于所需爬电距离(表面距离)和空隙(空气间隔)尺寸较大，所以这类变压器很难找到小型产品，而且相对比较昂贵，ISOSPI用于高达1kV的电池系统，这就要求变压器经过5kV的hi-pot测试，以留出保守的设计裕度，在这种情况下，隔离组件可能很大、很昂贵，而且有损于脉冲保真度，为此，采用AC耦合方法，可以减轻高压ISOSPI系统的成本问题，无需要求磁性元件提供双重绝缘，用价格不贵、缠绕在绕线管上的共模扼流圈(CMC)组件取代专门的螺旋管型变压器磁性元件，进一步降低成本，电容器和CMC都是相对扁平的表面贴装芯片组件，价格富有竞争力，而且其高可靠性经过审查，可用于汽车系统，用于AC耦合的偏置电阻器为监视系统的电介质完整性提供了一种非常有用的途径，一种不采用加强绝缘变压器的解决方案是，通过将额外的绝缘要求转移到耦合电容器上，将偏置要求从磁性元件上剥离出来，仅靠高压电容器或高压电容串联就能提供看似完整的隔离选择，但是电容器既不提供共模抑制，也不提供变压器所具备的抗冲击隔离特性，而且电容的容值大小对信号传输有影响，相关研究表明对ISOSPI合适的电容应该在10nF至33nF，但高压电容的容值通常不具备很多的选择性，常见的是2kV1nF，高压电容串联后固然可以提升隔离，但等效容值更小，显然对速率高达1Mbps的信号传输不合适，因此L-C方法实际上是最佳的，采用这种方法时，电容器充电至标称DC偏置值，让变压器处理瞬态问题，而对于瞬态问题的处理，即使普通变压器也很适合，耦合电容器用电阻值很大的电阻器偏置，一般连接到变压器的中央点，这样做还有一个好处，如果偏置电阻器的DC电流受到监视，那么任何电介质击穿都成了可检测故障，所选择的电阻值很大，例如10MΩ，以使故障电流低于变压器细线额定值，同时对人员的冲击损害最小，将高压要求从变压器磁性元件设计中剥离出来以后，就出现了几种成本相对较低的选择，一种是仅使用得到批准的以太网变压器，联想到电容耦合模式在以太网接口中的应用，另一种是使用现成有售的扁平磁性元件，以降低组件高度和组件重量(减轻焊料疲劳问题)，这类变压器像其他任何组件一样，可以采用自动化表面贴装组装方法安装，从而降低了生产成本，具备上述特点的一个很好的组件选择是分立式共模扼流圈(CMC)，CMC具备变压器结构，通常用作滤波组件，这类组件的电感可高达100μH，已得到批准以用于汽车系统，因此也成为ISOSPI配置希望使用的组件，适用的CMC价格不贵，CMC是用机器在芯片大小的铁氧体上缠绕线对而成，可简便快速地生产，隔离通信电路是采用LC解决方案和以CMC为变压器的完整电路，既然通常的ISOSPI应用包括非常有益的CMC滤波部分(采用标准LAN组件即以太网变压器时，这部分是集成在内的)，隔离通信电路包括一个分立式组件，以保留滤波功能，耦合电容器是10nF至33nF的高质量组件，占板面积为1812SMT(额定值为630V或1kV)，这里我们假定，系统以机架地(车体外壳)电位工作，以使双绞线的偏置处于安全水平，当双绞线对的两端都处于浮置地电位时，如同菊花链式连接的模块之间的链路那样，可以在双绞线对与共模扼流圈组1连接的两端上各串一个电容器，双绞线对本身也可以通过连接到每条线上的高阻值电阻器偏置到“地”电位，因为电容器是串联的，那么建议至少使用22nF电容器，共模扼流圈CMC1和共模扼流圈CMC2采用ACT45B-220-2P-TL003型号。

参照图4、图5所示，所述共模扼流圈组1包括共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处的两侧分别形成中央抽头，所述共模扼流圈组2包括共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处的两侧分别形成中央抽头，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处两侧的中央抽头上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处两侧的中央抽头上，为了使持续时间较长的脉冲波形有效通过，isoSPI设计需要略高一点的电感，可以通过使用两个扼流圈来得到充足的电感，让两个扼流圈的绕组串联，就可产生200μH电感，同时这还带来了一个额外的好处，即基本上构成了中央抽头连接，这对共模偏置和去耦功能很有用，用两个CMC实现的等效变压器模型，设计中的扼流圈型号占板面积为1812SMT，采用双线绕组(缠绕时使用成对导线)，因此主边和副边是严密匹配的，从而最大限度地减小了漏电感，因此保持了良好的高频性能，变压器如果采用物理上分开的绕组，脉冲保真度较差，因为漏电感太大，共模扼流圈组1和共模扼流圈组2具备50Vdc额定值，共模扼流圈CMC3、共模扼流圈CMC4、共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6均采用DLW43SH101XK2型号的CMC。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，其特征在于，包括隔离通信电路、主设备和从设备，所述隔离通信电路的一端连接在主设备上，另一端连接在从设备上用于主设备和从设备之间的信号传输。

2.根据权利要求1所述的一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，其特征在于，所述隔离通信电路包括共模扼流圈CMC1、共模扼流圈CMC2、电阻器1、电阻器2、电阻器3、电阻器4、共模扼流圈组1、共模扼流圈组2、电容器1、电容器2、电容器3、电容器4和双绞线对，所述共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚分别与主设备的IP端和IM端连接，另一端的两侧引脚分别与共模扼流圈组1一侧的两端引脚连接，所述电阻器1的两端引脚并联在共模扼流圈CMC1一端的两侧引脚上，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈组1两端的中心，所述电容器3的一端连接在电阻器3的一端，另一端连接接地，所述主设备上一引脚接地，所述共模扼流圈组1的另一侧两端引脚分别与双绞线对一端的两接线连接，所述双绞线对另一端的两接线分别与电容器1的一端和电容器2的一端连接，所述共模扼流圈组2一侧的两端引脚分别与电容器1的另一端和电容器2的另一端连接，所述共模扼流圈组2另一侧的两端引脚分别与共模扼流圈CMC2一端的两侧引脚连接，所述共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚分别与从设备的IP端和ILM端连接，所述电阻器2的两端并联在共模扼流圈CMC2另一端的两侧引脚上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈组2两端的中心，所述电阻器4的一端连接在电容器4的一端，所述电容器4的另一端接浮置地，所述从设备上一引脚接浮置地。

3.根据权利要求2所述的一种用于汽车电池系统的隔离式串行外设接口耦合电路，其特征在于，所述共模扼流圈组1包括共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联，所述共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处的两侧分别形成中央抽头，所述共模扼流圈组2包括共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联，所述共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处的两侧分别形成中央抽头，所述电阻器3的两端并联在共模扼流圈CMC3和共模扼流圈CMC4串联处两侧的中央抽头上，所述电阻器4的两端并联在共模扼流圈CMC5和共模扼流圈CMC6串联处两侧的中央抽头上。

Images