鉅大LARGE | 點擊量：297次 | 2023年08月07日
要怎么利用光電耦合器隔離高電壓改善電動汽車鋰電池包的安全性
目前在全電動或混合動力汽車使用中，高電壓鋰離子電池包的管理面對許多挑戰(zhàn)，除了非得監(jiān)控充電和放電循環(huán)外，基于安全考量，也要對供應數(shù)百伏電壓的電池包進行隔離，本文特別面向鋰離子電池監(jiān)測需求進行討論，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和零組件。
在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測電路板運用兩個關鍵子系統(tǒng)來可靠監(jiān)測電池狀態(tài)并供應數(shù)字化結果給掌管控制系統(tǒng)運作的主控解決器，為了分離這些子系統(tǒng)，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，以確保高電壓不會影響數(shù)字子系統(tǒng)。
鋰離子電池特性
非得符合電動汽車在性能、安全以及可靠性要求的復雜電子系統(tǒng)及本上筆直受到鋰離子電池特性的影響，鋰離子電池放電時，鋰材料通常在石墨陽極進行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動通過分離器到達陰極造成電荷流動，充電過程則是把整個程序反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。
這個化學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，化學反應較慢，使得電池單元的電壓較低，隨著溫度升高，反應速度會提高直到鋰離子單元開始崩潰，當溫度超過100°C時，電解質(zhì)開始分析，釋放出可能造成在設計上無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因氧化物分析面對熱失控釋放出氧氣，進一步加速溫度的升高。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
因此，保持鋰離子電池的最佳操作條件是電池管理系統(tǒng)的一項關鍵要求，設計控制和管理系統(tǒng)時的緊要挑戰(zhàn)在于確保可靠的數(shù)據(jù)采集和分解，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ChevyVolt電動汽車中，電池包蘊含了288個棱柱形鋰離子電池，分為96個電池群，通過連接供應386.6V的直流系統(tǒng)電壓，這些電池群結合溫度感應器和冷卻單元形成四個主電池模塊，連接到每個電池群的電壓感應線路在連接到每個電池模塊上方時進行終端解決并通過電壓感應束帶組合連接器連接到每個電池模塊上方的電池接口模塊上，4個采用色彩標示的電池接口模塊在電池包的不同位置運作，分別對應4個模塊直流電壓偏位的低、中和高電壓范圍。
電池接口模塊供應的數(shù)據(jù)會送到電池能量控制模塊中，接著這個模塊會將故障情況、狀態(tài)和診斷信息供應給作為車輛診斷主控制器的混合動力控制模塊，在任何時間，整個系統(tǒng)每秒會運行超過5000次的系統(tǒng)診斷，其中85%的診斷聚焦于電池包的安全性，其他則作為目標電池性能和壽命控制。
多層電路板
電池性能分解開始于如ChevyVolt電動汽車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布局技術、隔離技術和接地平面的組合來協(xié)助確保如此深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號完整性，其中最上層蘊含大多數(shù)零組件，包括光隔離器、接地平面和帶有多個通孔的信號走線，供應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，第三層蘊含了通過這些區(qū)域下方的信號走線，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走線，并蘊含部分額外的零組件。
圖1：ChevyVolt電動汽車中四個電池接口控制模塊電路板的每一個都蘊含多個感應電路和CAN通信電路，并通過通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進行隔離。
信號隔離
在電動汽車使用中，通信和控制是車輛運行的緊要基石，在如ChevyVolt這個車款中，使用了多重網(wǎng)絡隔離和保護獨立子系統(tǒng)，使用復雜的算法管理獨立鋰離子電池群并監(jiān)測特殊電池接口控制模塊上每個感應子系統(tǒng)中的電池包，不過作為整體電池管理的關鍵數(shù)據(jù)被蘊含在控制器局域網(wǎng)(CAN,ControllerAreaNetwork)總線信號接口和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總線網(wǎng)絡和高電壓感應電路間的安全隔離，雖然隔離可以使用多種辦法和零組件實現(xiàn)，但是嚴苛的環(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使用的首選處理辦法。
光電耦合器供應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，這類型器件供應的高度隔離有關要長期面對電池包直流電壓壓力，以及可能發(fā)生于探測、充電連接和移除以及直流-直流轉換時的快速高電壓瞬態(tài)變化至關緊要。
在選擇這個關鍵零組件時，汽車使用的緊要要求包括適宜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)格仍舊緊要，但有關快速開關和高電流變化造成EMI的考慮基本上會限制超高速器件的需求，從而轉向提高對調(diào)整壓擺率和限制EMI性能等的更高靈活度要求。
為了符合汽車使用環(huán)境的嚴格規(guī)范要求，Avago供應了多個系列的光電耦合器產(chǎn)品，可以使用在電池包的電壓感應上，帶來數(shù)據(jù)通信接口和其他使用的安全隔離，表1供應符合各種汽車使用環(huán)境的光電耦合器產(chǎn)品。
表1：各種光電耦合器適宜的汽車使用
汽車用光電耦合器
舉例來說，Avago的ACpL-M43T光電耦合器就供應了電池接口控制模塊電路板要的隔離功能，作為AvagoR2Coupler系列的一員，ACpL-M43T是一款采用緊湊5引腳SO-5JEDEC封裝，適合表面貼裝使用的車用級單通道數(shù)字光電耦合器。除了強化絕緣能力外，Avago的R2Coupler產(chǎn)品使用雙線來強化關鍵的功能連接，如圖2。另外，密封型光電耦合器展現(xiàn)了更強的可靠性和更廣的工作溫度范圍，大幅度超越使用消費類等級LED的光電耦合器產(chǎn)品。專門面向汽車使用設計，Avago的產(chǎn)品使用車用級LED，通過符合ISO/TS16949的質(zhì)量系統(tǒng)進行制造，并符合AEC-Q100規(guī)格要求。
圖2：有關車用級R2Coupler產(chǎn)品如ACpL-M43T光電耦合器，Avago使用雙線強化關鍵功能連接。(圖中高亮顯示)
這個器件非常適合電動汽車電池包的要求，供應包括567V繼續(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，不管是邏輯高電平或低電平輸出都具有30kV/s的共模瞬變抗擾度，可以降低其他汽車子系統(tǒng)變化進入CAN傳輸線網(wǎng)絡的機會。
