信號隔離性能顯著 光耦合器強(qiáng)化EV電池安全

目前在全電動(BEV)或混合動力汽車(HEV)應(yīng)用中，高電壓鋰電池組的管理面臨諸多挑戰(zhàn)，除必須監(jiān)控充電和放電回圈外，基于安全考量，亦須要對提供數(shù)百伏特電壓的電池組進(jìn)行隔離。本文特別針對鋰電池監(jiān)測需求進(jìn)行討論，并探討電池監(jiān)控 系統(tǒng)、數(shù)位通信系統(tǒng)及隔離介面使用的架構(gòu)和元件。

在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測電路板運(yùn)用兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)監(jiān)測電池狀態(tài)，并提供數(shù)位化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運(yùn)作的主控處理器。為分離這些子系統(tǒng)，在高電壓電池感應(yīng)電路和電路板的通信元件間采用光隔離信號介面，以確保高電壓不會影響數(shù)位子系統(tǒng)。

保持鋰電池穩(wěn)定操作　電池管理系統(tǒng)扮要角

復(fù)雜的電子系統(tǒng)必須符合電動車在性能、安全及可靠性要求，且受到鋰電池特性的影響。鋰電池放電時，鋰材料通常在石墨陽極進(jìn)行離子化，接著這些鋰離子借由電解質(zhì)移動通過分離器至陰極造成電荷流動，充電過程則是把整個程式反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。

這個化學(xué)反能程式的性能和可靠性由電池單元的溫度和電壓控制。在較低溫度時，化學(xué)反應(yīng)較慢，使得電池單元的電壓較低;隨著溫度升高，反應(yīng)速度會提高，直至鋰離子單元開始崩潰。當(dāng)溫度超過100℃時，電解質(zhì)開始分解，釋放出無壓機(jī)制設(shè)計的電池單元遇到壓力所產(chǎn)生的氣體。在夠高的溫度下，鋰電池單元可能會因氧化物分解面臨熱失控釋放出氧氣，進(jìn)一步加速溫度的升高。

也因此，保持鋰電池的最佳操作條件是電池管理系統(tǒng)的一項關(guān)鍵要求，設(shè)計控制和管理系統(tǒng)時的主要挑戰(zhàn)在于確?？煽康馁Y料獲取和分析，以監(jiān)控汽車中鋰電池的狀態(tài)，而這正是鋰電池本身的特性問題。

在Chevy電動車Volt中，電池組包含二百八十八個棱柱形鋰電池，分為九十六個電池群，通過連接提供386.6伏特的直流系統(tǒng)電壓，這些電池群結(jié)合溫度感應(yīng)器和冷卻單元，形成四個主電池模組，連接到每個電池群的電壓感應(yīng)線路，再連接至每個電池模組上方時進(jìn)行終端處理，并通過電壓感應(yīng)束帶組合連接器，連接至每個電池模組上方的電池介面模組。四個采用色彩標(biāo)示的電池介面模組在電池組的不同位置運(yùn)作，分別對應(yīng)四個模組直流電壓偏位元的低、中和高電壓范圍。

電池介面模組提供的資料會送到電池能量控制模組中，接著此模組會將故障情況、狀態(tài)和診斷資信提供給作為車輛診斷主控制器的混合動力控制模組，整個系統(tǒng)每秒會運(yùn)行超過五千次的系統(tǒng)診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性，其他則做為目標(biāo)電池性能和壽命控制。

確保信號完整性　多層電路板功不可沒

電池性能分析開始于如Chevy電動車Volt中使用的電池介面控制模組(圖1)。該控制模組設(shè)計針對高信號完整性采用四層設(shè)計的電路板，使用走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合，以協(xié)助確保深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號完整性。其中，最上層包含大多數(shù)元件，如光隔離器、接地平面和帶有多個通孔的信號走線，提供通往下層的連接路徑;第二層則使用電源和接地平面分布于電路板的高電壓區(qū)下方;第三層包含通過這些區(qū)域下方的信號走線;印刷電路板(PCB)的另一面，亦即第四層為接地平面和信號走線，并囊括部分額外的元件。

圖1 Chevy Volt電動車中四個電池介面控制模組電路板的每一個都包含多個感應(yīng)電路和CAN通信電路，并通過通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進(jìn)行隔離。

在電動車應(yīng)用中，通信和控制是車輛運(yùn)行的重要基石，在如Volt電動車中，使用多重網(wǎng)路隔離和保護(hù)獨立子系統(tǒng)，采取復(fù)雜的演算法管理獨立鋰電池群，并監(jiān)測特殊電池介面控制模組上每個感應(yīng)子系統(tǒng)中的電池組。不過，整體電池管理的關(guān)鍵資料被包含在控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN)匯流排信號介面，以及一個高電壓故障信號中，同時系統(tǒng)的安全性和可靠性也仰賴CAN匯流排網(wǎng)路和高電壓感應(yīng)電路間的安全隔離。雖然隔離可使用多種方法和元件實現(xiàn)，但嚴(yán)苛的環(huán)境和多重安全法規(guī)要求，使得光電耦合器成為這類型應(yīng)用的首選解決方案。

達(dá)成最佳信號隔離　光電耦合器炙手可熱

光耦合器提供有高共模雜信抑制能力，并具備高電氣雜信環(huán)境，如汽車中電磁相容(EMC)和電磁干擾(EMI)的免疫力;另外，這類型元件提供的高度隔離對于須要長期面對電池組直流電壓壓力，以及可能發(fā)生于測試、充電連接和移除及直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換時的快速高電壓瞬態(tài)變化，至關(guān)重要。

在選擇這個關(guān)鍵元件時，汽車應(yīng)用的主要要求包括合適的封裝和工作電壓規(guī)格，雖然速度、資料率和功耗等性能規(guī)格依然重要，但考量快速開關(guān)和高電流變化所造成的EMI，基本上會限制超高速元件的需求，從而轉(zhuǎn)向提高對調(diào)整壓擺率和限制EMI性能等的更高靈活度要求。

光電耦合器在全電動和混合動力汽車電子系統(tǒng)中扮演非常重要的角色，提供信號隔離、高雜信抑制能力和系統(tǒng)保護(hù)，避免高電壓進(jìn)入可能對駕駛或乘員帶來傷害或電擊的路徑，而Volt電動車只是光電耦合器如何應(yīng)用于協(xié)助電池組管理的一個實際范例。