如何保護(hù)汽車電池系統(tǒng)免于瞬變、短路和其他故障影響?
由于瞬變、極致溫度環(huán)境以及其他因素,在從使用汽油燃料的汽車轉(zhuǎn)換到油電混合動(dòng)力或全電力推動(dòng)汽車的過(guò)程中,為汽車使用的電路以及子系統(tǒng)帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。高電壓電池陣列以及連接到各種不同子系統(tǒng),例如傳動(dòng)系統(tǒng)和其他高功率電力系統(tǒng)等都必須進(jìn)行隔離,使電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”,避免漏電流或高電壓到達(dá)低電壓系統(tǒng)以及汽車外殼。插入式電動(dòng)車車上的充電器在進(jìn)行夜間充電時(shí)會(huì)接收240V的高市電電壓并吸取高電流,因此能夠抵抗瞬間變化的高電壓保護(hù)就非常重要,目前汽車制造商正在尋求標(biāo)準(zhǔn)化的電池管理系統(tǒng)(BMS, Battery Management System)以便可以處里提供高達(dá)1000V的電池陣列。
為了達(dá)到必要等級(jí)的隔離,光電隔離器已經(jīng)成為提供高電隔離和高抗噪能力,并且消耗相較于使用變壓器耦合提供隔離功能更低電力的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),電池子系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧舜罅康碾姵貑卧?、高電力噪聲以及?fù)載因進(jìn)行電池充電電流產(chǎn)生的大幅度瞬變而變得特別困難。另外,在電池陣列本身和充電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,對(duì)陣列中每個(gè)電池單元的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常重要,必須能夠使單一電池單元的故障不會(huì)造成整個(gè)陣列停止工作或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)形成過(guò)載。
電動(dòng)車中典型的電池陣列由多個(gè)電池模塊組成,每個(gè)模塊通常包含許多獨(dú)立的電池單元以及監(jiān)測(cè)模塊中電池單元的特殊電路,整個(gè)陣列可以提供數(shù)百伏特的電壓輸出,通常高于400V。監(jiān)測(cè)電路取得電池電壓以及其他參數(shù),將收集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化并通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI, Serial Peripheral Interface)總線傳送到管理電池系統(tǒng)的微控制器(MCU),請(qǐng)參考圖1,接著微控制器透過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN, Controller Area Network)總線送出控制信號(hào)到汽車中的各個(gè)子系統(tǒng)。
為了隔離電池子系統(tǒng)和微控制器,使用光電隔離器接收電池單元監(jiān)測(cè)電路SPI輸出送出的串行數(shù)據(jù)并提供物理屏障,主要借助于LED發(fā)射器和光敏接受器的分隔,數(shù)百伏特的隔離可以避免瞬變、電力噪聲以及其他因素對(duì)系統(tǒng)造成破壞,允許電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”,也就是和汽車車體無(wú)直接連接,另外,電流泄漏也因無(wú)汽車車體的連接因而可以降到最低。
圖1:典型的電池管理子系統(tǒng)需要多個(gè)光電耦合器提供SPI總線和微控制器間以及微控制器和CAN總線間的隔離。
電池子系統(tǒng)中使用了不同型式的光電耦合器提供不同等級(jí)的電壓隔離和性能以符合系統(tǒng)中不同部分的性能要求,請(qǐng)參考圖2。舉例來(lái)說(shuō),SPI接口通常以超過(guò)1MHz的數(shù)據(jù)率工作,并且需要處于-40°C到+125°C的工作溫度范圍,這些要求就帶來(lái)了如ACPL-K49T和其他相似光電耦合器的使用以隔離低速片選信號(hào),而如ACPL-M72T或其他相似產(chǎn)品等較高速光電耦合器則可以作為每個(gè)電池監(jiān)測(cè)電路上速度較快的SPI信號(hào)線路,如串行時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出等,請(qǐng)參考圖3。
圖2 電池監(jiān)測(cè)電路上SPI連接端口的4個(gè)信號(hào)使用光電隔離器以確保不會(huì)有高電壓脈沖由電池陣列穿越到低電壓微控制器。
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