如何利用光電耦合器隔離高電壓 改善電動(dòng)車(chē)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(chē)應用中，高電壓鋰離子電池組的管理面臨許多挑戰，除了必須監控充電和放電循環(huán)外，基于安全考量，也需要對提供數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測需求進(jìn)行討論，并探討電池監控系統、數字通信系統以及隔離接口使用的架構和零組件。

在管理系統中，電池監測電路板運用兩個(gè)關(guān)鍵子系統來(lái)可靠監測電池狀態(tài)并提供數字化結果給掌管控制系統運作的主控處理器，為了分離這些子系統，在高電壓電池感應電路和電路板的通信器件間采用光隔離信號接口，以確保高電壓不會(huì )影響數字子系統。

鋰離子電池特性

必須符合電動(dòng)車(chē)在性能、安全以及可靠性要求的復雜電子系統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(yáng)極進(jìn)行離子化，接著(zhù)這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動(dòng)通過(guò)分離器到達陰極造成電荷流動(dòng)，充電過(guò)程則是把整個(gè)程序反向，將鋰離子由陰極通過(guò)分離器帶回陽(yáng)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)反應較慢，使得電池單元的電壓較低，隨著(zhù)溫度升高，反應速度會(huì )提高直到鋰離子單元開(kāi)始崩潰，當溫度超過(guò)100°C時(shí)，電解質(zhì)開(kāi)始分解，釋放出可能造成在設計上無(wú)泄壓機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的一項關(guān)鍵要求，設計控制和管理系統時(shí)的主要挑戰在于確?？煽康臄祿杉头治?，以便用來(lái)監控汽車(chē)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(wèn)題。

在Chevy Volt電動(dòng)車(chē)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(guò)連接提供386.6V的直流系統電壓，這些電池群結合溫度感應器和冷卻單元形成四個(gè)主電池模塊，連接到每個(gè)電池群的電壓感應線(xiàn)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(guò)電壓感應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)采用色彩標示的電池接口模塊在電池組的不同位置運作，分別對應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據會(huì )送到電池能量控制模塊中，接著(zhù)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(chē)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)系統每秒會(huì )運行超過(guò)5000次的系統診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性，其他則作為目標電池性能和壽命控制。

多層電路板

電池性能分析開(kāi)始于如Chevy Volt電動(dòng)車(chē)中使用的電池接口控制模塊，請參考圖1，設計上特別面向高信號完整性，采用四層設計的電路板使用了走線(xiàn)布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合來(lái)協(xié)助確保如此深具挑戰性環(huán)境中的信號完整性，其中最上層包含大多數零組件，包括光隔離器、接地平面和帶有多個(gè)通孔的信號走線(xiàn)，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下方，第三層包含了通過(guò)這些區域下方的信號走線(xiàn)，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走線(xiàn)，并包含部分額外的零組件。

圖1：Chevy Volt電動(dòng)車(chē)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)感應電路和CAN通信電路，并通過(guò)通信子系統邊緣的光電耦合器進(jìn)行隔離。

信號隔離

在電動(dòng)車(chē)應用中，通信和控制是車(chē)輛運行的重要基石，在如Chevy Volt這個(gè)車(chē)款中，使用了多重網(wǎng)絡(luò )隔離和保護獨立子系統，使用復雜的算法管理獨立鋰離子電池群并監測特殊電池接口控制模塊上每個(gè)感應子系統中的電池組，不過(guò)作為整體電池管理的關(guān)鍵數據被包含在控制器局域網(wǎng)(CAN, Controller Area Network)總線(xiàn)信號接口和一個(gè)高電壓故障信號中，同時(shí)系統的安全性和可靠性也仰賴(lài)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和高電壓感應電路間的安全隔離，雖然隔離可以使用多種方法和零組件實(shí)現，但是嚴苛的環(huán)境以及多重安全法規要求使得光電耦合器成為這類(lèi)型應用的首選解決方案。

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(chē)中EMC和EMI的免疫力，另外，這類(lèi)型器件提供的高度隔離對于需要長(cháng)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(chē)應用的主要要求包括合適的封裝和工作電壓規格，雖然包括速度、數據率和功耗等性能規格依然重要，但對于快速開(kāi)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，從而轉向提高對調整壓擺率和限制EMI性能等的更高靈活度要求。

為了符合汽車(chē)應用環(huán)境的嚴格規范要求，Avago提供了多個(gè)系列的光電耦合器產(chǎn)品，可以應用在電池組的電壓感應上，帶來(lái)數據通信接口和其他應用的安全隔離，表1提供符合各種汽車(chē)應用環(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(chē)應用

汽車(chē)用光電耦合器

舉例來(lái)說(shuō)，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，適合表面貼裝應用的車(chē)用級單通道數字光電耦合器。除了強化絕緣能力外，Avago的R2Coupler產(chǎn)品使用雙線(xiàn)來(lái)強化關(guān)鍵的功能連接，如圖2。另外，密封型光電耦合器展現了更強的可靠性和更廣的工作溫度范圍，大幅度超越使用消費類(lèi)等級LED的光電耦合器產(chǎn)品。專(zhuān)門(mén)面向汽車(chē)應用設計，Avago的產(chǎn)品使用車(chē)用級LED，通過(guò)符合ISO/TS16949的質(zhì)量系統進(jìn)行制造，并符合AEC-Q100規格要求。

圖2：對于車(chē)用級R2Coupler產(chǎn)品如ACPL-M43T光電耦合器，Avago使用雙線(xiàn)強化關(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(chē)電池組的要求，提供包括567V連續工作電壓，6000V最高瞬態(tài)過(guò)電壓、5mm爬電距離和5mm電氣間隙等規格，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(chē)子系統變化進(jìn)入CAN傳輸線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的機會(huì )。