如何利用光電耦合器隔離高電壓 改善電動(dòng)車鋰離子電池組的安全性

目前在全電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車應(yīng)用中，高電壓鋰離子電池組的管理面臨許多挑戰(zhàn)，除了必須監(jiān)控充電和放電循環(huán)外，基于安全考量，也需要對提供數(shù)百伏電壓的電池組進(jìn)行隔離，本文特別面向鋰離子電池監(jiān)測需求進(jìn)行討論，并探討電池監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及隔離接口使用的架構(gòu)和零組件。

在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測電路板運(yùn)用兩個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)來可靠監(jiān)測電池狀態(tài)并提供數(shù)字化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運(yùn)作的主控處理器，為了分離這些子系統(tǒng)，在高電壓電池感應(yīng)電路和電路板的通信器件間采用光隔離信號(hào)接口，以確保高電壓不會(huì)影響數(shù)字子系統(tǒng)。

鋰離子電池特性

必須符合電動(dòng)車在性能、安全以及可靠性要求的復(fù)雜電子系統(tǒng)及本上直接受到鋰離子電池特性的影響，鋰離子電池放電時(shí)，鋰材料通常在石墨陽極進(jìn)行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動(dòng)通過分離器到達(dá)陰極造成電荷流動(dòng)，充電過程則是把整個(gè)程序反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。

這個(gè)化學(xué)反能程序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(shí)，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(huì)提高直到鋰離子單元開始崩潰，當(dāng)溫度超過100°C時(shí)，電解質(zhì)開始分解，釋放出可能造成在設(shè)計(jì)上無泄壓機(jī)制電池單元壓力的氣體，在夠高的溫度下，鋰離子電池單元可能會(huì)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。

因此，保持鋰離子電池的最佳操作條件是電池管理系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，設(shè)計(jì)控制和管理系統(tǒng)時(shí)的主要挑戰(zhàn)在于確?？煽康臄?shù)據(jù)采集和分析，以便用來監(jiān)控汽車中鋰離子電池的狀態(tài)，而這正是鋰離子電池本身的特性問題。

在Chevy Volt電動(dòng)車中，電池組包含了288個(gè)棱柱形鋰離子電池，分為96個(gè)電池群，通過連接提供386.6V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(gè)主電池模塊，連接到每個(gè)電池群的電壓感應(yīng)線路在連接到每個(gè)電池模塊上方時(shí)進(jìn)行終端處理并通過電壓感應(yīng)束帶組合連接器連接到每個(gè)電池模塊上方的電池接口模塊上，4個(gè)采用色彩標(biāo)示的電池接口模塊在電池組的不同位置運(yùn)作，分別對應(yīng)4個(gè)模塊直流電壓偏位的低、中和高電壓范圍。

電池接口模塊提供的數(shù)據(jù)會(huì)送到電池能量控制模塊中，接著這個(gè)模塊會(huì)將故障情況、狀態(tài)和診斷信息提供給作為車輛診斷主控制器的混合動(dòng)力控制模塊，在任何時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)每秒會(huì)運(yùn)行超過5000次的系統(tǒng)診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性，其他則作為目標(biāo)電池性能和壽命控制。

多層電路板

電池性能分析開始于如Chevy Volt電動(dòng)車中使用的電池接口控制模塊，請參考圖1，設(shè)計(jì)上特別面向高信號(hào)完整性，采用四層設(shè)計(jì)的電路板使用了走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合來協(xié)助確保如此深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號(hào)完整性，其中最上層包含大多數(shù)零組件，包括光隔離器、接地平面和帶有多個(gè)通孔的信號(hào)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，第三層包含了通過這些區(qū)域下方的信號(hào)走線，印刷電路板的另一面，也就是第四層就作為接地平面和信號(hào)走線，并包含部分額外的零組件。

圖1：Chevy Volt電動(dòng)車中四個(gè)電池接口控制模塊電路板的每一個(gè)都包含多個(gè)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。

信號(hào)隔離

在電動(dòng)車應(yīng)用中，通信和控制是車輛運(yùn)行的重要基石，在如Chevy Volt這個(gè)車款中，使用了多重網(wǎng)絡(luò)隔離和保護(hù)獨(dú)立子系統(tǒng)，使用復(fù)雜的算法管理獨(dú)立鋰離子電池群并監(jiān)測特殊電池接口控制模塊上每個(gè)感應(yīng)子系統(tǒng)中的電池組，不過作為整體電池管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)被包含在控制器局域網(wǎng)(CAN, Controller Area Network)總線信號(hào)接口和一個(gè)高電壓故障信號(hào)中，同時(shí)系統(tǒng)的安全性和可靠性也仰賴CAN總線網(wǎng)絡(luò)和高電壓感應(yīng)電路間的安全隔離，雖然隔離可以使用多種方法和零組件實(shí)現(xiàn)，但是嚴(yán)苛的環(huán)境以及多重安全法規(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。

光電耦合器提供有高共模噪聲抑制能力，并在根本上具備高電氣噪聲環(huán)境如汽車中EMC和EMI的免疫力，另外，這類型器件提供的高度隔離對于需要長期面對電池組直流電壓壓力，以及可能發(fā)生于測試、充電連接和移除以及直流-直流轉(zhuǎn)換時(shí)的快速高電壓瞬態(tài)變化至關(guān)重要。

在選擇這個(gè)關(guān)鍵零組件時(shí)，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，雖然包括速度、數(shù)據(jù)率和功耗等性能規(guī)格依然重要，但對于快速開關(guān)和高電流變化造成EMI的考慮基本上會(huì)限制超高速器件的需求，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。

為了符合汽車應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)格規(guī)范要求，Avago提供了多個(gè)系列的光電耦合器產(chǎn)品，可以應(yīng)用在電池組的電壓感應(yīng)上，帶來數(shù)據(jù)通信接口和其他應(yīng)用的安全隔離，表1提供符合各種汽車應(yīng)用環(huán)境的光電耦合器產(chǎn)品。

表1：各種光電耦合器合適的汽車應(yīng)用

汽車用光電耦合器

舉例來說，Avago的ACPL-M43T光電耦合器就提供了電池接口控制模塊電路板需要的隔離功能，作為AvagoR2Coupler系列的一員，ACPL-M43T是一款采用緊湊5引腳SO-5 JEDEC封裝，適合表面貼裝應(yīng)用的車用級單通道數(shù)字光電耦合器。除了強(qiáng)化絕緣能力外，Avago的R2Coupler產(chǎn)品使用雙線來強(qiáng)化關(guān)鍵的功能連接，如圖2。另外，密封型光電耦合器展現(xiàn)了更強(qiáng)的可靠性和更廣的工作溫度范圍，大幅度超越使用消費(fèi)類等級LED的光電耦合器產(chǎn)品。專門面向汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)，Avago的產(chǎn)品使用車用級LED，通過符合ISO/TS16949的質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行制造，并符合AEC-Q100規(guī)格要求。

圖2：對于車用級R2Coupler產(chǎn)品如ACPL-M43T光電耦合器，Avago使用雙線強(qiáng)化關(guān)鍵功能連接。(圖中高亮顯示)

這個(gè)器件非常適合電動(dòng)車電池組的要求，提供包括567V連續(xù)工作電壓，6000V最高瞬態(tài)過電壓、5mm爬電距離和5mm電氣間隙等規(guī)格，在10mA順向輸入電流時(shí)，不管是邏輯高電平或低電平輸出都具有30kV/μs的共模瞬變抗擾度，可以降低其他汽車子系統(tǒng)變化進(jìn)入CAN傳輸線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)。