고전압 BMS 안에서 견고한 데이터 통신 달성
https://www.elec4.co.kr/article/articleView.asp?idx=14684
Enabling robust data communications within a high voltage BMS
https://www.newelectronics.co.uk/content/features/enabling-robust-data-communications-within-a-high-voltage-bms/
Jon Munson, Linear Tech.
CANbus 링크에 절연하는 대신 LT사가 개발한 isoSPI
BMS의 주된 목적은 배터리 팩으로 신뢰성, 성능, 수명을 달성하는 것
배터리 관리 전자장치들이 셀 전압 축정하고 이 정보를 중앙 프로세서로 전송
자동차 드라이브 트레인 같은 대형 고전압 배터리 스트링에는 모듈러 분산 팩이 매력적이다.
배터리 모듈을 기본 단위 삼아 다양한 팩 디자인을 설계할 수 있기 때문이다.
모듈화를 통해 무게를 최적으로 분산할 수 있으며 가용 공간을 최대한 활용할 수 있다.
자동차 안 처럼 전기적으로 잡음이 심한 환경은 데이터 통신이 까다롭다.
CANbus 링크에 절연을 더해 충분히 잡음을 제거할 수 있으나, 복잡하고 비용이 많이 든다.
따라서 Linear Tech.에서 isoSPI를 개발했다. 표준 SPI를 단순 2와이어로 변형한 것이다.
isoSPI 인터페이스는 최대 1Mbps에 이르는 전이중 SPI신호를 차동 신호로 변환하고,
Twisted pair와, 단순하고 저렴한 트랜스포머를 통해 전송한다.
(차동 신호: 양의 핀과 음의 핀 전압 차이. 5V라는 정보를 선 하나로 보내지 않고, 두 개 선으로 7V - 2V로 주는 것. 노이즈 영향으로 8V - 3V가 되어도, Vdiff = Vp - Vn은 그대로 5V이다.)
Linear Tech는 최근 모든 배터리 스택 모니터 제품(셀 전압을 측정하기 위한 아날로그 IC)으로 이 인터페이스를 채택.
LTC6811은 2개의 isoSPI 포트를 포함하고있다. isoSPI 포트로 다중 LTC6811 디바이스를 데이지체인으로 상호연결하여 긴 고전압 배터리 스트링을 모니터링할 수 있다.
isoSPI 인터페이스의 동작 원리
isoSPI는 '평형' 와이어 쌍으로 차동 시그널링을 사용하고, 어느 쪽 와이어도 접지하지 않는다.
이로 인해 외부 EMI로 인해 와이어로 가해지는 '공통 모드' 잡음이 양쪽 와이어로 거의 같다.
isoSPI 인터페이스는 소형 트랜스포머(변압기)를 사용해 디바이스 간 신호를 자기적으로 결합하고 전기로 절연한다. 이 방법으로 절연 벽을 가로질러 중요한 차동 정보를 전송할 때 높은 시스템 잡음에 의해 발생되는 높은 공통 모드 전압 스윙으로부터 각 디바이스를 차폐한다.
이 방법은 큰 성공을 거두고 있는 이더넷 Twisted Pair 표준과 같은 기법이다.
또 전기 절연을 해서 팩들 간 높은 DC 전압 차이에도 불구하고 팩들을 상호연결할 수 있다.
트랜스포머는 간단히 적합한 DC 스탠드오프 전압에 따라 선택할 수 있다.
그다음 DC를 함유하지 않은 펄스 신호를 정보 소실을 일으키지 않으면서 트랜스포머 결합을 한다.
펄스의 폭, 극성, 타이밍을 가지고 SPI 신호의 다양한 상태 변화를 인코딩한다.
isoSPI의 모든 특성은 혹독한 200mA BCI(Bulk Current Injection) 간섭 테스트에도 오류 없는 전송을 달성하도록 의도한 것이다.
주요 자동차 업체들이 이를 따라 자동차 섀시 하네스 배선으로 isoSPI 링크의 적합성을 입증했다.
모듈 간 통신이 필요할 때 가장 적절하고, 안전하며 저렴하다.
isoSPI를 사용한 복잡성 감소
BMS 설계 시 배터리 셀들을 LTC6811같은 AFE로 연결해야한다.
다중의 AFE 디바이스를 상호연결하고 CANbus 링크를 통해 중앙 프로세서로 연결할 수 있다.
안전과 데이터 무결성을 위해 갈바닉 절연을 하려면 각 AFE마다 각자의 Data Isolator를 필요로한다. 각 셀 스택을 Host uP와 CANbus 네트워크로부터 자기 방식 or 용량성 방식 or 광학 방식으로 갈바닉 절연 할 수 있다.
SPI 사용 시, SPI 신호 4개 각각 절연이 필요하여 비싸다.
isoSPI를 사용해 구현하면 Data Isolator 대신 저렴한 소형 트랜스포머를 사용해 프로세서 소자들과 배터리 팩 전위 사이에 갈바닉 장벽을 제공한다.
Host uP 측에서는 소형 어댑터(LTC6820)가 isoSPI 마스터 인터페이스를 제공한다.
이 그림의 ADC 유닛은 isoSPI 슬레이브 지원을 포함하고 있으므로, 추가 회로로 평형 전송 라인 구조가 필요로 하는 적합한 종단 소자만 있으면 된다. 2개 AFE 디바이스만 보여지고 있지만, 확장 isoSPI 버스 하나로 16개까지 연결할 수 있다.
멀티드롭 버스나 점대점 데이지 체인
isoSPI 링크는 단순한 점대점 연결로 잘 작동한다. 듀얼 포트 ADC 디바이스(LTC6811-1)를 사용해 완벽하게 절연을 이루는 데이지 체인 구조를 형성할 수 있다. 버스 기법이나 데이지 체인 기법이나 전반적 구조 복잡성은 비슷하다. 그러므로 디자인 특성 따라 이 기법이 나을 수도, 저 기법이 나을 수도 있다. 데이지 체인은 대체로 비용이 덜 든다. DC 스탠드오프 전압이 낮은 단순한 트랜스포머를 사용하기 때문이다.
데이지 체인은 직렬이다.
병렬 어드레스 가능 버스 토폴로지
단점: 여기에 사용되는 트랜스포머는 isoSPI 마스터(LTC6820)에서부터 배터리 스택 맨 위에 오는 AFE에 이르기까지 전체 전압을 포괄해야 한다.
장점: 결함 허용이 더 우수하다. isoSPI 마스터로 직접 통신하기 때문이다.
BMS 전자장치 파티셔닝
isoSPI의 중요 장점 중 하나는 점대점(Point to Point) 및 데이지 체인 구성으로, 긴 노출 배선을 사용할 수 있단 것이다. isoSPI가 나오기 전에는 BMS 디자인이 중앙집중식 아키텍처나 인터커넥션을 위해서 비싼 절연형 CANbus를 구현해야했다.
isoSPI 인터페이스 덕에 데이지 체인 BMS로 임의의 모듈들을 사용해 팩을 구현할 수 있으며 분산 네트워크를 구성할 수 있다.
이 네트워크는 원하는 만큼 많은 AFE 디바이스(LTC6811-1)와 하네스 인터커넥트를 사용할 수 있다.
isoSPI 네트워킹을 사용하면 모든 데이터 프로세싱 동작을 단일 마이크로프로세서 회로로 통합할 수 있으며 어느 위치에나 배치할 수 있다. 이런 네트워킹 유연성으로 isoSPI 기반 BMS는 높은 성능 또는 경제성을 달성하도록 설계할 수 있다.
새로운 규정 충족
isoSPI 구조는 셀 모듈 안에 들어가는 전자장치를 최소화하므로 ISO 26262같은 새 규격을
중복성을 달성하기 위해서 간단하게 AFE 섹션을 복제하고 필요한 만큼 isoSPI 네트워크로 추가만 하면 된다. 네트워킹 기법에 의해 프로세서 기능을 통합할 수 있게 되면서 패키징에 영향 미치지 않으면서 중복 데이터경로와 듀얼 프로세서를 제공하는 것도 간단하게 할 수 있다. 필요한만큼 다수의 모듈로 회로를 추가하기만 하면 목표로하는 신뢰성을 달성할 수 있다.
결론
isoSPI는 표준 SPI 디바이스를 원격 제어하기 위한 견고하면서도 단순한 솔루션을 제공한다. isoSPI2 와이어 데이터 링크는 ADC의 유연한 네트워킹을 통해서 BMS의 신뢰성과 구조 최적화를 향상시킬 수 있는 경제성 뛰어난 기법이다. 프로세서 기능을 셀들로부터 떼어와 하나로 통합함으로써 각 셀로 필요로 하는 전자장치를 최소화하고 팩 모듈을 간소화할 수 있다.
