白皮书:DC电力线通讯用于高压电池包管理

标题:DC powerline communications for management of high voltage battery packs

摘要:高压电池包由大数量的单一可充电电池组成。鉴于此，它们非常昂贵，且其管理是非常重要的。在这里描述了一个方法，用DC电力线作为多个单一电池和主电路控制单元之间的介质，用于通信数据和命令。

1，介绍

现代化的电池包由一组单一的可反复充电的电池细胞组成，比如锂离子。每一个细胞要求在特定的温度和电压范围严格地工作。每个单一的细胞在其指定的条件之外工作会是永久损坏且具备潜在危险的。继而，对其每一个构成细胞的BMS(电池管理系统)[1]来监测和控制是必须的。

此文章简要介绍了一个基于DC总线的通信原理，提供了多细胞反复可充电池包管理的物理层。这样的系统可能被称作极微电网(NanoGrid)，如参考文献[2]。此解决方案利用了在电池包之间的DC电力线，用于数据和信息的通信而没有额外的线材。它是基于一个半导体器件，使用基于一个简单的UART介面的一个创新的多相位调制,在噪声的环境来提供可靠的（多点）连接。

2，电池管理系统(BMS)

图1：由DC总线电力线通信使能的BMS（电池管理系统）

一个样本系统如图1.它由多个电池包串联组成（本案是3个，但现实中通常是8个），来提供所需要的高压（通常300至380V）一个主ECU是出现了的，来监视和控制所有的电池包。ECU做为系统的主，单一的电池包作为从，广义上，通常是ECU在系统中发起所有的行为和通信。

每一个电池包带有许多低压的电池。电池包应该提供其规格，单一电池的电压，温度和使用历史的信息。这些信息确定了电池包的最佳充电/放电的轮廓。为了达成这个，联系每个电池包被称为电池管理模块(CMM)在一起。这个CMM也通过使用一个DC总线收发器处理电池包的通信。CMM到电池包是并联的，所以它在DC电力线上通信。继而，所有的DC总线收发器是串联的。

叫做DC总线主作为ECU收发器。ECU必需能够进入在此配置中的每一个CMM。继而，为了闭环通信，ECU如图１所示那样连接到了高压电力线（高频）。明显地，在高压DC电力线和DC总线主之间必须要提供电流阻断。

3,通信的挑战

使用一个高频调制的载波，通过DC电力线，在CMM们和ECU之间进行数据通信。由于电池的高信号衰减，非常小的阻抗，还有DC电力线非常噪杂的特性（比如电源逆变器的高频开关噪声，引擎产生的噪声和其它车内的电感负载，如图2），在这样的一个环境达到可靠的数据通信是一项挑战的任务。

还有，我们的仿真和测试的建立，工作频率相关的问题也必须被考虑的：

3.1，工作频率带（中心频率和带宽）必须仔细地选择，来实现通道衰减和（现有）系统相关的噪声及干扰之间的好的平衡。

3.2，EMC相关的：传导式和辅射式的高频器件必须限制，来满足车内相关的标准要求。

4,解决方案

对于上述的挑战的解决方案是一个DC总线收发器，在电动车高压电池中遭受的非常嘈杂的电力线上工作。DC总线收发器在半导体元件上实现，在噪杂的电力线上提供可靠的网络。从UART来的数据使用一个创新的多相位方法,用来调制一个高频载波，这对于电力线噪声更加坚韧的。

图2，测得信号：收到的信号被逆变器开关干扰（绿色）所烦扰。恢复的调制信号（黄色）

图2是一个实际测试的截图，显示了两个信号：绿色轨迹代表接收的信号被开头逆变器所产生的噪声和高电平干扰（带响声的周期性的脉冲）所干扰。黄色线代表了运输到UART的所恢复的信号。

在一个实际的BMS嘈杂声的电池线是进行了的。获得的结果指出，推荐的通信机制给极微电网提供了可靠的通信。图３是一个电脑监控程序的截屏，测量了主ECU和CMM们之间的通信性能（达成了小于10^-5的比特误差率）

图3: BMS性能监控程序

[1],Davide Andrea“用于大型锂离子电池包的BMS”,Artech House, 2010

[2],R.H.Lasseter“微电网”IEEE电力工程社团冬季会议，VoL, I, PP, 305 -308, 2002

[3],SiG60收发器芯片规格书

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