BMS菊花链技术探讨

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。
2.通信转换芯片和差分信号传输方式
CAN总线和菊花链的通信转换芯片在与微控制器通信端是比较相似的，CAN总线转换芯片在这端也是TTL的电平信号，与SPI和UART没什么本质区别。很多微控制器上的CAN接口与UART接口是共用的。区别在转换成的差分信号。
首先来看CAN总线上的差分信号。CAN总线采用的是数字差分信号，其对接收信号的幅度范围很宽，对于信号信号线上的干扰容忍度很高。CAN转换芯片可以完成物理层和数据链路层的功能，微控制器只需要负责应用层。

图4 CAN总线信号波形

菊花链也采取的是差分信号通信，但转换芯片做的更多的是将SPI或者UART信号转换成脉冲相位调制信号（PPM）。其将SPI或者UART信号的1和0转换成相位相反的正弦波信号，或者相反的转换。从下图中可以看出，这是一种本质为模拟信号的传输方式。其对信号的判定依赖于信号相位的明显区分。当信号线上存在较强干扰时，正弦波的形变可能产生严重畸变，波形的严重变形，有可能导致芯片判断错误。

图5 菊花链的通信转换芯片工作方式
3.EMC性能
在辐射发射方面，CAN总线因为是数字信号，其信号波形为方波，在其上升和下降沿存在很多高频的谐波分量，这些信号往往是对外辐射最严重的辐射源。在设计中，通常在CAN接口处增加共模扼流圈，降低共模信号的能量，而对通信用的差模信号无影响。
菊花链采用的是正弦信号传输，其辐射发射天然具有优势，理论上在辐射发射方面比CAN总线性能会更好。
对于通信总线，我们更看重其抗干扰能力。从前面的分析看出，菊花链在抗干扰方面可能存在挑战。EMC抗扰的测试，对于菊花链通信链路可以采用BCI（大电流注入）的测试方法。对于相关芯片，如AFE可以额外增加DPI(直接射频功率注入)的测试方法，在芯片引脚直接注入射频信号，测试其抗扰度。
这方面我们可以参考一下电动汽车一哥特斯拉的一些做法。在菊花链应用上，特斯拉有过一个专利，其在菊花链通信链路上采用了多信道的通信方式。我们现在看到的菊花链应用，都是采用了一个频率的正弦波传输。在EMC干扰方面，一个信号会被与它频率接近信号（或谐波）所干扰。这个设计在链路上叠加了两个不同频率的信号，在接收端通过分频和滤波，由两个独立信道接收。这样两个信道是冗余的，当某一个信道发生故障时，另一个完全可以继续工作。这个设计很有创意，对通信的可靠性和抗干扰性有极大提高。（但是对芯片设计提出了很高要求啊，得处理两个不同频率的信号。。。）

图6 特斯拉在菊花链应用上的专利

无论哪种测试，其测试的干扰功率都根据标准会有一个限值。这个限值通常是跟其他EMC标准的规定相对应，比如对车用电子器件的辐射发射和辐射传导信号功率限值。那么这些测试隐含着一个前提是整车上其他电子部件需要符合相应的EMC标准。汽车相对来说是个比较独立的个体，其EMC干扰大部分情况是各部件之间的互相影响。我们在评估一个新技术的时候，一定要在合理的环境和前提下进行。目前我们的情况可能并不是所有部件都在严格符合相关标准，在这种情况下，如果要求菊花链无限承受EMC干扰也是不现实的（比如电机存在严重的电流反串干扰）。