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

1、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，高鋰離子電池組的管理瀕臨許多挑戰(zhàn)，除了必需監(jiān)控充電和放電循環(huán)外，基于平安考量，也需要對(duì)提供數(shù)百伏電壓的電池組舉行隔離，本文特殊面對(duì)鋰離子電池監(jiān)測(cè)需求舉行研究，并探討電池監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及隔離接口用法的架構(gòu)和零組件。在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測(cè)板運(yùn)用兩個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)來(lái)牢靠監(jiān)測(cè)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，為了分別這些子系統(tǒng)，在高電壓電池感應(yīng)電路和電路板的通信器件間采納光隔離信號(hào)接口，以確保高電壓不會(huì)影響數(shù)字子系統(tǒng)。鋰離子電池特性必需符合電動(dòng)車在性能、平安以及牢靠性要求的復(fù)雜系統(tǒng)

2、及本上挺直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)極舉行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動(dòng)通過(guò)分別器到達(dá)陰極造成電荷流淌，充電過(guò)程則是把囫圇程序反向，將鋰離子由陰極通過(guò)分別器帶回陽(yáng)極。這個(gè)化學(xué)反能程序的性能和牢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，隨著溫度上升，反應(yīng)速度會(huì)提高直到鋰離子單元開頭崩潰，當(dāng)溫度超過(guò)100°c時(shí)，電解質(zhì)開頭分解，釋放出可能造成在設(shè)計(jì)上無(wú)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)因氧化物分解瀕臨熱失控釋放出氧氣，進(jìn)一步加速溫度的上升。因此，保持鋰離子電池的最佳操作條件是

3、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)在于確保牢靠的數(shù)據(jù)采集和分析，以便用來(lái)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(wèn)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(guò)銜接提供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，銜接到每個(gè)電池群的電壓感應(yīng)線路在銜接到每個(gè)電池模塊上方時(shí)舉行終端處理并通過(guò)電壓感應(yīng)束帶組合銜接到每個(gè)電池模塊上方的電池接口模塊上，4個(gè)采納顏色標(biāo)示的電池接口模塊在電池組的不同位置運(yùn)作，分離對(duì)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

4、到電池能量控制模塊中，接著這個(gè)模塊會(huì)將故障狀況、狀態(tài)和診斷信息提供應(yīng)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)光，囫圇系統(tǒng)每秒會(huì)運(yùn)行超過(guò)5000次的系統(tǒng)診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的平安性，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頭于如chevy volt電動(dòng)車中用法的電池接口控制模塊，請(qǐng)參考圖1，設(shè)計(jì)上特殊面對(duì)高信號(hào)完整性，采納四層設(shè)計(jì)的電路板用法了走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合來(lái)幫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，提供通往下層的銜接路徑，其次層則用法電源和接地平面分布于電

5、路板的高電壓區(qū)下方，第三層包含了通過(guò)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(guò)通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器舉行隔離。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，用法了多重網(wǎng)絡(luò)隔離和庇護(hù)自立子系統(tǒng)，用法復(fù)雜的算法管理自立鋰離子電池群并監(jiān)測(cè)特別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(guò)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 n

6、etwork)信號(hào)接口和一個(gè)高電壓故障信號(hào)中，同時(shí)系統(tǒng)的平安性和牢靠性也仰賴網(wǎng)絡(luò)和高電壓感應(yīng)電路間的平安隔離，雖然隔離可以用法多種辦法和零組件實(shí)現(xiàn)，但是嚴(yán)苛的環(huán)境以及多重平安規(guī)矩要求使得光電耦合器成為這類型應(yīng)用的首選解決計(jì)劃。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)境如汽車中和emi的免疫力，另外，這類型器件提供的高度隔離對(duì)于需要長(zhǎng)久面向電池組直流電壓壓力，以及可能發(fā)生于測(cè)試、充電銜接和移除以及直流-直流轉(zhuǎn)換時(shí)的迅速高電壓瞬態(tài)變幻至關(guān)重要。在挑選這個(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)格依舊重要，但對(duì)于迅速開關(guān)和

7、高變幻造成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(duì)調(diào)節(jié)壓擺率和限制emi性能等的更高靈便度要求。為了符合汽車應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)格規(guī)范要求，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(lái)數(shù)據(jù)通信接口和其他應(yīng)用的平安隔離，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(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是一款采納緊湊5引腳so-5 jedec封裝，適合表面貼裝應(yīng)用的車用級(jí)單通道數(shù)字光電耦合器。除了強(qiáng)

8、化絕緣能力外，avago的r2coupler產(chǎn)品用法雙線來(lái)強(qiáng)化關(guān)鍵的功能銜接，2。另外，密封型光電耦合器呈現(xiàn)了更強(qiáng)的牢靠性和更廣的工作溫度范圍，大幅度超越用法消費(fèi)類等級(jí)的光電耦合器產(chǎn)品。特地面對(duì)汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)，avago的產(chǎn)品用法車用級(jí)led，通過(guò)符合iso/ts16949的質(zhì)量系統(tǒng)舉行創(chuàng)造，并符合aec-q100規(guī)格要求。圖2：對(duì)于車用級(jí)r2coupler產(chǎn)品如acpl-m43t光電耦合器，avago用法雙線強(qiáng)化關(guān)鍵功能銜接。(圖中高亮顯示)這個(gè)器件十分適合電動(dòng)車電池組的要求，提供包括567v延續(xù)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(guī)格，在10ma順向輸入電流時(shí)

9、，不管是規(guī)律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)變幻進(jìn)入can傳輸線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)。acpl-m43t的1m波特率對(duì)于這類設(shè)計(jì)已經(jīng)十分足夠，另外，采納的集電極開路輸出也可以允許設(shè)計(jì)工程師調(diào)節(jié)輸出壓擺率來(lái)降低可能來(lái)自于其他零組件，包括can等迅速開關(guān)時(shí)光的電磁輻射，盡管can物理層傳輸協(xié)議自帶相對(duì)較低的emi。在電池接口模塊電路板中，acpl-m43t位于通信區(qū)的邊緣，通過(guò)更深層電路板中的接地面屏蔽進(jìn)一步把它和高電壓感應(yīng)子系統(tǒng)隔離，隔離接口提供三個(gè)自立acplm43t光電耦合器給三個(gè)由感應(yīng)電路發(fā)出的銜接線，特殊是can放射輸出引腳，微控制器的can接收輸入引腳和微控制器的高電壓故障信號(hào)。微控制器的can放射引腳輸出通過(guò)電路板的屏蔽信號(hào)層到達(dá)acplm43t的陽(yáng)極，提供led能量，造成輸出引腳vo的狀態(tài)變幻，3，接著已隔離信號(hào)被送到電池接口模塊的通信輸出級(jí)電路。光電耦合器在全電動(dòng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)中飾演了十分