菊花链通信技术在BMS中的应用详解
菊花链通信技术在BMS中的应用详解
菊花链通信技术在电池管理系统（BMS）中扮演着重要角色，它通过减少元器件使用实现成本优化，同时保持较高的通信稳定性。本文将详细介绍菊花链的基本概念、与CAN通信的区别、常见芯片方案以及数据结构，帮助读者全面了解这一技术在BMS中的应用。
一、菊花链简介
在BMS开发中，分布式架构最为常见。传统的主从板架构中，每个从板都配备MCU，通过CAN总线与主板通信。然而，在成本压力下，菊花链通信技术应运而生。
在电子领域，菊花链是一种配线方案，设备间通过电缆依次连接，形成链式结构。这种连接方式虽然不会形成网状拓扑，但相邻设备间可以直接通信。在BMS应用中，菊花链通过专用转换解码芯片将SPI信号转换为差分信号，再通过变压器或电容在采样芯片间传递，从而实现降本50%以上。
菊花链在BMS上的典型应用示意图
菊花链通信原理示意图
二、菊花链与CAN通信的区别
在BMS中，主板与从板间的通信方式主要有两种：CAN通信和菊花链通信。CAN通信由于其在汽车电子上的广泛应用和良好的通信稳定性，早期被广泛采用。然而，出于成本考虑，菊花链通信逐渐成为主流。虽然菊花链的稳定性不如CAN通信，但由于BMS通常处于相对封闭的应用场景，且主板与从板间线束较短，因此菊花链完全满足应用要求。
三、常见的菊花链AFE芯片
BMS行业的菊花链技术主要由AFE芯片厂家推动。早期，AFE芯片与微控制器通信基本以SPI为主。针对菊花链通信，各芯片厂家开发出了不同的差分信号通信技术和协议转换方案。目前，各家的菊花链通信技术仍处于私有协议阶段，尚未形成行业通用标准。例如，Linear的Iso-SPI、NXP的TPL（Twist Pair）、Maxim的differential daisy-chain UART等。
四、菊花链数据结构
菊花链的数据帧结构类似于232等串行通讯，包含起始位和截止位。目前，菊花链的数据帧定义尚未统一标准，不同芯片厂商有不同的定义。以ADI为例，其数据帧结构为16bit，而NXP为52bit，TI为13bit。
一帧数据由11个DaisyChain的bit和2个Daisy Chain的half bit组成（1个Daisy Chain bit为两个峰峰值为±5V脉冲），具体结构如下：
BQ79616数据结构示意图
其中：
- Preamble为半个DaisyChain bit，1个5V正脉冲，用于触发Daisy Chain接收器的电平采样；
- SYNC为2个Daisy Chain bit，一般为00，用于Daisy Chain接收器预采样：调节接收时钟和提前识别信号噪声，提高对后面8bit的数据帧抗干扰能力；
- DATA为数据帧的主要内容，由8bit组成；
- Byte ERRO为DaisyChain总线结构中的下位设备检测到接收错误时，提示上位设备重发数据的标志位，当上位机收到Byte ERRO的数据时，会重发上一帧数据，并Byte ERRO也会置1，提示下位机此帧为重发数据；
- Postamble为半个Daisy Chain bit，1个-5V脉冲，用于提示DaisyChain接收器数据发送结束。
NXP数据帧格式示意图
五、菊花链方案介绍
1. TI方案
分布式电池包系统中，子系统包含主机MCU，通过控制器局域网总线与车辆控制单元连接。MCU处理器驱动连接到电池模块的电池监测器件，用于检测电压和温度。所有高压电池包均需要快速与主机MCU通信，支持这一需求，可以添加任意数量的电池监测器件，具体取决于电池监测器支持的通道数量。系统需要监控和通信的其他常见场景还有，通过高压继电器控制来确保在不使用车辆时安全地断开高压，以及通过电流检测来计算充电状态和了解电池包的运行状况。
bq7961X系列器件上的菊花链通信接口示意图
bq7961X系列器件上的菊花链通信接口是德州仪器（TI）开发的专有协议。该接口是使用差分信号设计的，以最大限度地降低电磁敏感性（EMS）和增强大电流注入（BCI）抗扰度。差分通信分别在COMP和COMN引脚上传输补码数据。该接口是双向和半双工的，因此在COMH（高侧）和COML（低侧）接口上有一个发送器（TX）和一个接收器（RX）。
2. ADI方案
ADI的菊花链方案虽然在原文中未详细展开，但根据前文描述，其数据帧结构为16bit，具有独特的通信协议和数据处理方式。
3. NXP方案
NXP的MC33771采用可靠的高速菊花链通讯，可以替代传统的CAN总线通讯。对于96块单体电池串联的应用，菊花链通讯仅需2.6毫秒就能实现全部数据的采集与通信。飞思卡尔的电池监控芯片有电压和电流同步测量功能，可以在65微秒内实现内阻的测量。MC33664和MC33771的功能验证和诊断不仅可支持ISO 26262 SafeAssure功能安全，还可以对所有电压测量、电流测量、电池终端断线或漏电流以及ADC精度执行功能验证。