Trasmettere i dati con isoSpi

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Ottenere affidabilità, prestazioni elevate e lunga durata di set di batterie è lo scopo principale nell’uso di un sistema di gestione delle batterie. A tal fine, l’elettronica di gestione delle batterie misura la tensione di ciascuna cella e trasmette queste informazioni a un processore centrale. Per lunghi stack di batterie ad alta tensione, come nel caso dei gruppi propulsori di autoveicoli, un set distribuito rappresenta una scelta interessante; le batterie formano moduli che possono servire da elementi costitutivi fondamentali di configurazioni a più set. I moduli consentono inoltre di distribuire il peso in modo ottimale e di ottimizzare l’uso dello spazio disponibile. Il problema più difficile è trasmettere i dati in modo che il set funzioni come una singola unità. Un ambiente elettricamente rumoroso, come in genere è quello degli autoveicoli, costituisce un problema notevole per i canali di trasmissione dati. Sebbene un Can bus in combinazione con dispositivi di isolamento possa offrire una reiezione sufficiente del rumore, una tale soluzione è complessa e costosa. Per questo motivo, Linear Technology ha sviluppato isoSpi, un semplice adattamento a due fili della Serial Peripheral Interface standard. isoSpi converte un segnale Spi full-duplex, fino a 1Mb/s, in un segnale differenziale che viene quindi trasmesso attraverso un doppino intrecciato e un trasformatore semplice, dal costo contenuto. Questa interfaccia è integrata nei più recenti sistemi di monitoraggio di set di batterie Linear Technology, una serie di circuiti integrati analogici pensati per misurare le tensioni di celle di set di batterie. L’LTC6811, un circuito integrato per il monitoraggio di batterie a 12 celle sviluppato da Linear, è dotato di due porte isoSpi, che consentono di interconnettere in serie più dispositivi LTC6811 per il monitoraggio di lunghi stack di batterie ad alta tensione. Grazie alla tecnologia isoSpi, i moduli contenenti un set secondario di celle di batteria possono trasmettere i dati su lunghe distanze a un processore master.


Modalità operativa della tecnologia isoSpi

isoSpi utilizza segnali differenziali su una coppia bilanciata di cavi in cui nessuno dei due cavi è a massa. Con questa configurazione, il rumore di modo comune generato sui cavi da un’interferenza elettromagnetica esterna sarà quasi identico su entrambi i cavi, mentre il segnale di modo differenziale trasmesso, contenente le informazioni, rimane relativamente inalterato. La tecnologia isoSpi utilizza un trasformatore compatto per accoppiare magneticamente e isolare elettricamente il segnale tra i dispositivi. In tal modo, ciascun dispositivo è schermato da notevoli variazioni della tensione di modo comune create da livelli elevati di rumore nel sistema mentre trasmette le informazioni differenziali, importanti, attraverso la barriera dielettrica. Si tratta della stessa tecnica impiegata negli standard a doppino intrecciato Ethernet largamente diffusi. Inoltre, l’isolamento elettrico consente di interconnettere più set nonostante le notevoli differenze di tensione Dc fra di loro. Il trasformatore viene selezionato semplicemente in base all’appropriata tensione di stand-off Dc. In una forma d’onda differenziale isoSpi ideale il segnale a impulsi senza componente Dc viene accoppiato tramite il trasformatore senza perdita di informazioni. La durata, polarità e temporizzazione degli impulsi codificano le varie modifiche di stato dei segnali Spi convenzionali. Tutte queste caratteristiche isoSpi sono state scelte intenzionalmente per assicurare una trasmissione senza errori nel corso di prove di interferenza basate su applicazione di corrente a livelli elevati. In pratica, in Linear sono state dimostrate prestazioni complete contro valori elevatissimi - 20 0mA - duplicate da importanti produttori di autoveicoli, che hanno qualificato in pieno i canali isoSpi per i cablaggi presenti nel telaio degli autoveicoli. Questa è una condizione fondamentale da soddisfare se è necessaria la trasmissione inter-modulo, e poiché l’isolamento elettrico è alla fine essenziale ai fini della sicurezza, isoSpi offre anche un notevole contenimento dei costi.

Ridurre la complessità con isoSpi

È possibile progettare un Bms collegando celle di batteria a un dispositivo front-end analogico, come l’LTC6811. Più dispositivi Afe possono essere interconnessi e collegati a un processore centrale attraverso un canale Can bus. Per ottenere l’isolamento galvanico necessario ai fini della sicurezza e dell’integrità dei dati, per ciascun Afe sono necessari appositi dispositivi dedicati. Per isolare ciascun set di celle dal microprocessore host e dalla rete Canbus, l’isolamento galvanico può essere realizzato mediante dispositivi magnetici, capacitivi o ottici. Quando si usa Spi, l’isolamento è necessario per ciascuno dei quattro segnali Spi, il che comporta costi notevoli. Un trasformatore compatto, dal costo contenuto sostituisce l’isolatore di dati per assicurare la barriera galvanica fra gli elementi del processore host e il potenziale del set di batterie. In corrispondenza del microprocessore host, un compatto circuito integrato adattatore (LTC6820) fornisce l’interfaccia master isoSpi. I convertitori analogico-digitali illustrati (LTC6811-2) includono il supporto slave isoSpi integrato, così che i soli circuiti aggiuntivi necessari sono costituiti dagli appropriati componenti di terminazione passivi richiesti da una struttura a linea di trasmissione bilanciata.  I canali isoSpi naturalmente funzionano adeguatamente con semplici connessioni da punto a punto, e gli Adc a due porte (LTC6811-1) possono formare strutture con collegamento in serie completamente isolate. Sia nell’approccio con bus che in quello con collegamento in serie esiste nell’insieme un’analoga complessità strutturale, per cui aspetti particolari di un progetto possono far preferire l’uno o l’altro. Il collegamento in serie tende a essere meno costoso, visto che in genere comporta l’uso di trasformatori più semplici con una tensione di stand-off Dc inferiore, mentre trasformatori per la topologia a bus indirizzabile devono coprire l’intera tensione dal master isoSpi (LTC6820) al dispositivo Afe, che potrebbe trovarsi in cima al set di batterie completo. D’altro canto, il bus indirizzabile parallelo ha una migliore tolleranza ai guasti poiché la trasmissione dati è diretta al master isoSpi. Per prevenire più punti di ingresso dell’interferenza elettromagnetica e problemi con riflessioni multipath, è preferibile mantenere per le strutture a bus implementazioni su singola scheda di circuiti stampati affinché il bus stesso sia compatto e possibilmente protetto da piani di massa della scheda stessa.

Compartimentazione dell’elettronica del Bms

Uno dei vantaggi principali della tecnologia isoSpi è la possibilità di essere utilizzata con lunghi cavi esposti nelle configurazioni da punto a punto e con collegamento in serie. Prima dell’implementazione di isoSpi, il progetto di un Bms era vincolato a un’architettura centralizzata oppure all’attuazione di un costoso Canbus isolato per l’interconnessione; isoSpi ha reso possibile un pratico approccio modulare, con tutti i vantaggi che ne conseguono. La rete può avere tanti dispositivi Afe (LTC6811-1) e interconnessioni a livello di cablaggio quanti ne sono necessari per realizzare la distribuzione desiderata di circuiti. L’uso di una rete tramite isoSpi permette di unificare tutta l’attività di elaborazione dei dati in un solo circuito a microprocessore e quest’ultimo può essere collocato praticamente dovunque. Questa totale flessibilità di rete consente di progettare un Bms basato su isoSpi in modo da ottenere prestazioni elevate e ridurre i costi. Si noti come ad ogni segmento isoSpi esposto a condizioni di compatibilità elettromagnetica a livello di cablaggio sia inserita una bobina di modo comune compatta nella struttura di terminazione di ciascun circuito integrato Afe. La Cmc (Common-mode-choke) è un piccolissimo trasformatore che completa la reiezione di qualsiasi rumore di modo comune a frequenza molto alta, che potrebbe introdursi attraverso la capacità esistente tra gli avvolgimenti del trasformatore di accoppiamento. Inoltre, l’intero cablaggio è completamente isolato ai fini della sicurezza.

Far fronte a nuove sfide

Poiché la struttura isoSpi consente di ridurre al minimo il numero di circuiti elettronici all’interno dei moduli costituiti dalle celle, i requisiti di nuove norme come la Iso 26262 possono essere soddisfatti più agevolmente e a costo inferiore. Per esempio, considerando gli aspetti della ridondanza, si possono semplicemente aggiungere altre copie delle sezioni Afe alla rete isoSpi secondo le necessità. Inoltre, con l’unificazione delle funzionalità del processore resa possibile dall’approccio basato su rete, è semplice creare percorsi ridondanti per i dati e anche processori doppi senza impatto notevole sul packaging: basta aggiungere altri circuiti nei vari moduli se necessario per conseguire gli obiettivi di affidabilità.

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