交通運輸應用中高壓電池監控的隔離

　電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為近年來(lái)的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。這種“綠色”汽車(chē)依靠串聯(lián)電池組來(lái)獲得足夠高的電壓，從而有效驅動(dòng)電機。全電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)均采用這種高壓(HV)電池組。HEV依靠?jì)热紮C(ICE)充電，而且在許多情況下，內燃機也會(huì )提供動(dòng)力。EV則必須插入電源中充電，有些新型混合動(dòng)力設計稱(chēng)為“插電式混合動(dòng)力汽車(chē)”(PHEV)，它基本上可視為一種EV，但配有內燃機以延長(cháng)行駛里程。

　　高壓電池組已廣泛用于許多工業(yè)和交通運輸業(yè)以外的領(lǐng)域，通?？捎米鳎阂灾绷餍问絻Υ孑旊娋W(wǎng)電能的不間斷電源(UPS);48-V通信設備中的應急直流電源;起重機和電梯系統中的應急電源;以及緊急情況下驅動(dòng)風(fēng)力渦輪機的葉片。雖然本文討論汽車(chē)中電池組的使用，但一些根本問(wèn)題在所有類(lèi)型電池組中都會(huì )存在。

　　交通運輸應用中的電池組一般含有100塊甚至更多的電池，可提供數百伏電壓。一般公認50 V或60 V以上的電壓可以致命，而可能導致電子設備損壞的電壓則更低(考慮利用某些類(lèi)型電化學(xué)反應的電池穩定性)，因此安全問(wèn)題至關(guān)重要。雖然這些電池組本身具有危險性，但仍然必須與電池殼內的電池監控電子設備通信。因此，通信方式必須安全可靠。

　　高壓電池組中的電池結構

　　原始設備制造商一般要求將電池裝到保護殼中，稱(chēng)為“電池包”，通常含有6到24塊串聯(lián)電池。含有較多電池的電池包體積更大，也不易放入典型的汽車(chē)空間中。相關(guān)的電池監控集成電路靠近受監控的電池，并由電池本身供電。是否有必要監控各電池的電壓，取決于電池的化學(xué)原理。例如，我們非常了解基于鎳氫(NiMH)化學(xué)原理的高壓電池組性能，因此一般無(wú)需測量各電池電壓，只需測量特定電池包內所有電池的總電壓即可。而基于鋰離子(Li-Ion)化學(xué)原理的電池組，則必需監控各電池的電壓，以便檢測電池串中的任一電池有無(wú)發(fā)生過(guò)壓或欠壓情況。一般不必測量各鋰離子電池的溫度，但應提供相關(guān)測量功能。因此，鎳氫電池組的監控電子設備比鋰離子電池組的監控電子設備簡(jiǎn)單得多。圖1顯示一種構建和監控高壓電池組的常用方法。

　　電池監控器IC通常處理6塊或12塊電池。目前，ADI公司提供兩種專(zhuān)用特殊用途(ASSP)產(chǎn)品用于電池監控：AD7280基于高速多路復用12位模數轉換器，主要用作主監控器;另一種器件基于一系列窗口比較器，用作備用或冗余監控器。本文不會(huì )深入討論這些產(chǎn)品，但仍需說(shuō)明這些器件在電池組配置中如何通信。每個(gè)電池為上方電池的測量輸入確立共模電平。菊花鏈接口允許電池組的各AD7280直接與其上或其下的AD7280通信(從而沿著(zhù)堆疊上下傳遞數字信息)，而無(wú)需隔離。最底部AD7280的SPI接口用來(lái)與系統微控制器交換整個(gè)電池組的數據和控制信號。此處必須采用高壓電流隔離，以保護系統中的其它低壓電子器件。

　　圖1. 電池組中的串聯(lián)電池監控和隔離

　　圖1中，串聯(lián)電池串的中間有一個(gè)開(kāi)關(guān)或接觸器。一般情況下，無(wú)論汽車(chē)正常行駛還是停車(chē)，該開(kāi)關(guān)始終閉合。車(chē)輛維修時(shí)或緊急情況下，需將該開(kāi)關(guān)拉開(kāi)或離開(kāi)所在位置，禁止電池組端電極出現電池組電壓。為了不影響開(kāi)關(guān)斷開(kāi)所提供的隔離性能，必須確保沒(méi)有任何電子器件橋接開(kāi)關(guān)端子。因此，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電池組的上半部分應與下半部分應保持電氣隔離。這意味著(zhù)，電池組上半部分的電池數據必須通過(guò)其最底部的電池監控器通信，跨過(guò)隔離柵，傳輸至管理整個(gè)電池組數據流入流出的微處理器或微控制器。類(lèi)似地，電池組下半部分也必須與此微處理器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。

　　除電池監控器外，電池組中還有一個(gè)電流監控器，用來(lái)測量并報告電池組的電流。該監控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離?；魻栃娏鱾鞲衅鞅旧砭哂须娏鞲綦x功能，無(wú)需再配置隔離電路。不過(guò)，如果該電流傳感器采用分流元件，則相關(guān)的分流監控電路需要單獨的隔離柵。使用分流方法檢測電流越來(lái)越受歡迎，它比霍爾效應檢測更穩定、更精確，而且價(jià)格也更有競爭力。使用低值分流電阻和低成本、高分辨率監控電子器件(例如通過(guò)AEC-Q100認證的AD820x和AD821x系列分流監控器，至今針對汽車(chē)插座的出貨量已超過(guò)1億片)，可以將自發(fā)熱降至極小，使這種方法的傳統弊端不復存在。因此，除非電流檢測監控器能夠接入最底部的電池監控器，共用其隔離柵，否則圖1中的系統需要三個(gè)獨立的隔離柵。

　　另一種頗受歡迎的構建電池組方法是將電池包分為一系列電氣獨立的電池群組(圖2)。每個(gè)電池群組最底部的監控器跨過(guò)專(zhuān)用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器。

　　圖2. 并行接入電池包的電池組