Anwendungslösung Isolierte SPI-Lösung

Bei der Weiterentwicklung der Batteriemanagementsystem-Architektur (BMS) bestimmt die Wahl der Kommunikationstopologie direkt die Zuverlässigkeit, Kosten und Skalierbarkeit des Systems.
Die gängige isolierte SPI-Lösung bildet durch elektrische Isolierung und differenzielle Signalübertragung eine robuste „Schutzmauer“ gegen Störungen. Isoliertes SPI erreicht eine elektrische Isolierung über eine Transformator- oder Kondensatorkopplung und ist in der Lage, Spannungsunterschieden von Hunderten oder sogar Tausenden von Volt standzuhalten.

In einem BMS müssen die MCUs auf der Hochspannungs- und Niederspannungsseite des Batteriesatzes isoliert sein. Herkömmliche Lösungen erfordern einen 4-Kanal-Digitalisolator, während isoSPI nur einen kleinen Transformator erfordert, was die Kosten erheblich senkt. Diese Isolationsfähigkeit schützt nicht nur den Prozessor auf der Niederspannungsseite vor Überspannungen, sondern verbessert auch die Gleichtaktunterdrückung erheblich und gewährleistet so die Messgenauigkeit.

Im Zuge der modernen Elektrifizierung haben Batterien den traditionellen Antrieb längst überwunden und sind zum „Herz“ und „Nervenzentrum“ intelligenter Fahrzeuge geworden. Allerdings ist jeder Schlag dieses Herzens mit komplexen elektrochemischen Reaktionen verbunden. Winzige Unterschiede zwischen Hunderten von Batteriezellen während der Lade-/Entladezyklen können zu einem katastrophalen thermischen Durchgehen oder einem Kapazitätsabfall führen. Sicherzustellen, dass jede Zelle sowohl unabhängig als auch kollaborativ arbeitet, ist zu einer zentralen Herausforderung beim BMS-Systemdesign geworden. VOOHU Technology engagiert sich seit über einem Jahrzehnt intensiv im Bereich der Automobilelektronik und hat seine isolierte SPI-Kommunikationslösung auf den Markt gebracht.

1. Einführung in die Topologie
Die SPI-Lösung von VOOHU verzichtet auf die umständliche Verkabelung herkömmlicher Parallelbusse und übernimmt eine isolierte SPI-Topologie. Jeder SPI-Chip ist präzise in Reihe mit benachbarten Platinen verbunden und bildet so eine „digitale neuronale Kette“ vom Batteriezellenmodul bis zur Terminal-BMU.

Die Genialität dieses Designs liegt darin, dass die Daten schrittweise über verdrillte Kabelpaare in Differenzsignalform übertragen werden, wobei Takt- und Chipauswahlsignale synchron verteilt werden. Jeder Knoten ist sowohl ein Informationserfassungsterminal als auch eine Signalrelaisstation.

Im Vergleich zur Arbitrierungsverzögerung und dem Broadcast-Storm-Risiko des CAN-Busses gewährleistet das deterministische Kommunikations-Timing der Daisy-Chain-Topologie eine Genauigkeit der Spannungs- und Temperatur-Abtastsynchronisation von <1 μs. Im Vergleich zu den Punkt-zu-Punkt-Einschränkungen herkömmlicher SPI erweitert die isolierte SPI-Lösung von VOOHU die Übertragungsentfernung durch Trenntransformatorkopplung auf über 15 Meter, unterstützt bis zu 16 kaskadierte Ebenen und passt sich perfekt an verschiedene physikalische Anordnungen von Batteriepaketen an, von 48-V-Mild-Hybrid- bis zu 800-V-Hochspannungsplattformen.

Letztendlich werden in der BMU nicht nur einzelne Datenpunkte konvergiert, sondern eine vollständige Karte des Batteriezustands – die SOH-, SOC- und Innenwiderstandstrends jeder Zelle werden dynamisch auf Millisekundenebene dargestellt und bieten einen Panorama-Input für Batterieausgleichsstrategien und Fehlerfrühwarnung.

2. Empfehlung zur Gerätematrix
VOOHU ist sich bewusst, dass die Zuverlässigkeit eines BMS von seinem schwächsten Glied abhängt.
Daher bietet die Lösung eine vollständige Auswahlbibliothek von Steckverbindern bis hin zu Leistungsgeräten, die den gesamten Entwicklungszyklus vom Prototyp bis zur Massenproduktion abdeckt:

Mechanische Schnittstelle:Szenario-Spezifische Anpassung von D-sub-Anschlüssen
Für unterschiedliche Installationsräume und Vibrationsniveaus des Batteriepacks stehen drei Serien von D-Sub-Steckern zur Verfügung: 25P, 15P und 9P.
Die 25P-Version eignet sich für Hochspannungsbatteriesätze mit 16 oder mehr Zellen und integriert Leistung, CLK, CS und mehrere Differenzsignale; Der 15P ist für Mittelklasse-Plattformen mit 8-12 Zellen konzipiert und optimiert die PIN-Nutzung. und der 9P ist für das minimalistische Design von Mikro-Elektrowerkzeugen konzipiert.
Alle Steckverbinder sind USCAR-2-Vibrationsstufe III zertifiziert, mit vergoldeten Anschlüssen, die eine Stecklebensdauer von 500 Zyklen gewährleisten, und IP67-Schutz gegen Kondensationskorrosion des Batteriesatzes.

Isolationskern:BMS-Trenntransformatorserie
Als „Herzstück“ der elektrischen SPI-Isolation bietet VOOHU drei Serien an: S12, S125 und S068.
Die S12-Serie eignet sich für Betriebsspannungen bis zu 250 Veff und hat eine Spannungsfestigkeit von 3 kV.
Die S125-Serie ist für 800-V-Hochspannungsplattformen konzipiert und verfügt über ein segmentiertes Wicklungsdesign mit einer Spannungsfestigkeit von bis zu 5 kVrms;
Die S068-Serie ist auf größenempfindliche PHEV-Batteriepacks zugeschnitten, mit einer Höhe von nur 3,5 mm, behält jedoch eine Genauigkeit des Kopplungskoeffizienten von ±2 % innerhalb eines Automobiltemperaturbereichs von -40℃ bis 125℃ bei und gewährleistet so die Integrität der Differenzsignalflanken.


Sampling-Gehirn:Präziser Schutz des AFE-Chips
Der AFE-Chip übernimmt die Doppelfunktion der Einzelzellen-Spannungs-/Temperaturmessung und des Notfallunterbrechungsschutzes.
Das AFE in der VOOHU-Lösung unterstützt synchrone 16-Kanal-Abtastung mit einer Spannungsgenauigkeit von ±1,5 mV und einer Temperaturkanal-NTC-Genauigkeit von ±0,5℃.
Der Schlüssel zu seiner Stärke liegt in seinem Hardware-Überspannungs-/Unterspannungskomparator, der innerhalb von <10 μs ein Ansteuersignal auslösen kann, das den MOSFET ohne MCU-Eingriff direkt abschaltet und so Sicherheitsredundanz auf Hardwareebene für extreme Szenarien wie thermisches Durchgehen bietet.

Schutz und Ausführung:Kollaborativer Schutz von TVS und MOSFETs
TVS-Schutzgerät:Am AFE-Eingang und an der SPI-Bus-Schnittstelle wird ein TVS-Array mit einer Klemmspannung von <40 V und einer Reaktionszeit von <1 ps eingesetzt, wodurch Überspannungen und ESD-Störungen, die durch Relaisschaltungen innerhalb des Batteriepakets verursacht werden, wirksam unterdrückt werden.


Hochspannungs-MOSFET:Als elektronischer Schalter im Hauptstromkreis des Akkupacks übernimmt er die Aufgabe der 400V/600A-Pegelumschaltung.
VOOHU priorisiert SiC-MOSFETs für die Automobilindustrie mit einem Einschaltwiderstand von <2 mΩ und einer Reduzierung der Schaltverluste um 60 %. Sein Antriebssignal kommt direkt vom Hardware-Schutzausgang des AFE und gewährleistet so den kürzesten Fehlerreaktionspfad.
Der Wert der VOOHU SPI-Lösung geht über das Batteriemanagement hinaus.

3. Servomotoranwendungen
Im Bereich der Servomotorsteuerung zeigt die gleiche Architektur eine bemerkenswerte Anwendbarkeit: Der Stromsensor (analoges AFE), der Encoder (digitaler SPI-Knoten) und der Treiber (MOS-Transistor-Array) eines Mehrachsenmotors sind mit der zentralen Steuerung verkettet. Die synchrone Abtastung mit 80 ns-Level gewährleistet eine präzise Entkopplung des FOC-Algorithmus. Trenntransformatoren blockieren Gleichtaktstörungen zwischen Stromerde und Steuererde, und der TVS-Schutz widersteht EMI von IGBT-Schaltern.

Diese Designphilosophie „von der einzelnen Einheit zum System“ macht die SPI-Lösung von VOOHU zu einer schnellen, präzisen und zuverlässigen Allzweckarchitektur für die neuronale Übertragung in Elektrifizierungsplattformen. Es hilft Kunden, eine einzige Design-Toolchain zu verwenden, um sowohl das BMS als auch die elektrischen Antriebssysteme abzudecken, wodurch die Komplexität der Lieferkette und die Zertifizierungskosten erheblich reduziert werden.

Von der Gründung im Jahr 2018 bis zur Expansion ins Ausland im Jahr 2025 hat sich VOOHU Electronics dank seiner „überragenden Qualität, angemessenen Preise, aufmerksamen Service und zuverlässigen Lieferung“ zu einem zuverlässigen Partner für über 1000 Unternehmen entwickelt.

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