用光电耦合器隔离高电压改善电动车锂离子电池组的安全性

目前在全电动或混合动力汽车应用中，高电压锂离子电池组的管理面临许多挑战，除了必须监控充电和放电循环外，基于安全考量，也需要对提供数百伏电压的电池组进行隔离，本文特别面向锂离子电池监测需求进行讨论，并探讨电池监控系统、数字通信系统以及隔离接口使用的架构和零组件。

在管理系统中，电池监测电路板运用两个关键子系统来可靠监测电池状态并提供数字化结果给掌管控制系统运作的主控处理器，为了分离这些子系统，在高电压电池感应电路和电路板的通信器件间采用光隔离信号接口，以确保高电压不会影响数字子系统。
锂离子电池特性
必须符合电动车在性能、安全以及可靠性要求的复杂电子系统及本上直接受到锂离子电池特性的影响，锂离子电池放电时，锂材料通常在石墨阳极进行离子化，接着这些锂离子藉由电解质移动通过分离器到达阴极造成电荷流动，充电过程则是把整个程序反向，将锂离子由阴极通过分离器带回阳极。

这个化学反能程序的性能和可靠性由电池单元的温度和电压控制，在较低温度时，化学反应较慢，使得电池单元的电压较低，随着温度升高，反应速度会提高直到锂离子单元开始崩溃，当温度超过100°C时，电解质开始分解，释放出可能造成在设计上无泄压机制电池单元压力的气体，在够高的温度下，锂离子电池单元可能会因氧化物分解面临热失控释放出氧气，进一步加速温度的升高。

因此，保持锂离子电池的最佳操作条件是电池管理系统的一项关键要求，设计控制和管理系统时的主要挑战在于确保可靠的数据采集和分析，以便用来监控汽车中锂离子电池的状态，而这正是锂离子电池本身的特性问题。

在Chevy Volt电动车中，电池组包含了288个棱柱形锂离子电池，分为96个电池群，通过连接提供386.6V的直流系统电压，这些电池群结合温度感应器和冷却单元形成四个主电池模块，连接到每个电池群的电压感应线路在连接到每个电池模块上方时进行终端处理并通过电压感应束带组合连接器连接到每个电池模块上方的电池接口模块上，4个采用色彩标示的电池接口模块在电池组的不同位置运作，分别对应4个模块直流电压偏位的低、中和高电压范围。

电池接口模块提供的数据会送到电池能量控制模块中，接着这个模块会将故障情况、状态和诊断信息提供给作为车辆诊断主控制器的混合动力控制模块，在任何时间，整个系统每秒会运行超过5000次的系统诊断，其中85%的诊断聚焦于电池组的安全性，其他则作为目标电池性能和寿命控制。

多层电路板
电池性能分析开始于如Chevy Volt电动车中使用的电池接口控制模块，请参考图1，设计上特别面向高信号完整性，采用四层设计的电路板使用了走线布局技术、隔离技术和接地平面的组合来协助确保如此深具挑战性环境中的信号完整性，其中最上层包含大多数零组件，包括光隔离器、接地平面和带有多个通孔的信号走线，提供通往下层的连接路径，第二层则使用电源和接地平面分布于电路板的高电压区下方，第三层包含了通过这些区域下方的信号走线，印刷电路板的另一面，也就是第四层就作为接地平面和信号走线，并包含部分额外的零组件。


图1：Chevy Volt电动车中四个电池接口控制模块电路板的每一个都包含多个感应电路和CAN通信电路，并通过通信子系统边缘的光电耦合器进行隔离。

信号隔离
在电动车应用中，通信和控制是车辆运行的重要基石，在如Chevy Volt这个车款中，使用了多重网络隔离和保护独立子系统，使用复杂的算法管理独立锂离子电池群并监测特殊电池接口控制模块上每个感应子系统中的电池组，不过作为整体电池管理的关键数据被包含在控制器局域网(CAN, Controller Area Network)总线信号接口和一个高电压故障信号中，同时系统的安全性和可靠性也仰赖CAN总线网络和高电压感应电路间的安全隔离，虽然隔离可以使用多种方法和零组件实现，但是严苛的环境以及多重安全法规要求使得光电耦合器成为这类型应用的首选解决方案。

光电耦合器提供有高共模噪声抑制能力，并在根本上具备高电气噪声环境如汽车中EMC和EMI的免疫力，另外，这类型器件提供的高度隔离对于需要长期面对电池组直流电压压力，以及可能发生于测试、充电连接和移除以及直流-直流转换时的快速高电压瞬态变化至关重要。

在选择这个关键零组件时，汽车应用的主要要求包括合适的封装和工作电压规格，虽然包括速度、数据率和功耗等性能规格依然重要，但对于快速开关和高电流变化造成EMI的考虑基本上会限制超高速器件的需求，从而转向提高对调整压摆率和限制EMI性能等的更高灵活度要求。

为了符合汽车应用环境的严格规范要求，Avago提供了多个系列的光电耦合器产品，可以应用在电池组的电压感应上，带来数据通信接口和其他应用的安全隔离，表1提供符合各种汽车应用环境的光电耦合器产品。

表1：各种光电耦合器合适的汽车应用


汽车用光电耦合器
举例来说，Avago的ACPL-M43T光电耦合器就提供了电池接口控制模块电路板需要的隔离功能，作为AvagoR2Coupler系列的一员，ACPL-M43T是一款采用紧凑5引脚SO-5 JEDEC封装，适合表面贴装应用的车用级单通道数字光电耦合器。除了强化绝缘能力外，Avago的R2Coupler产品使用双线来强化关键的功能连接，如图2。另外，密封型光电耦合器展现了更强的可靠性和更广的工作温度范围，大幅度超越使用消费类等级LED的光电耦合器产品。专门面向汽车应用设计，Avago的产品使用车用级LED，通过符合ISO/TS16949的质量系统进行制造，并符合AEC-Q100规格要求。


图2：对于车用级R2Coupler产品如ACPL-M43T光电耦合器，Avago使用双线强化关键功能连接。(图中高亮显示)

这个器件非常适合电动车电池组的要求，提供包括567V连续工作电压，6000V最高瞬态过电压、5mm爬电距离和5mm电气间隙等规格，在10mA顺向输入电流时，不管是逻辑高电平或低电平输出都具有30kV/μs的共模瞬变抗扰度，可以降低其他汽车子系统变化进入CAN传输线网络的机会。

ACPL-M43T的1M波特率对于这类设计已经非常足够，另外，采用的集电极开路输出也可以允许设计工程师调整输出压摆率来降低可能来自于其他零组件，包括CAN收发器等快速开关时间的电磁辐射，尽管CAN物理层传输协议自带相对较低的EMI。

在电池接口模块电路板中，ACPL-M43T位于通信区的边缘，通过更深层电路板中的接地面屏蔽进一步把它和高电压感应子系统隔离，隔离接口提供三个独立ACPLM43T光电耦合器给三个由感应电路发出的连接线，特别是CAN发射输出引脚，微控制器的CAN接收输入引脚和微控制器的高电压故障信号。微控制器的CAN发射引脚输出通过电路板的屏蔽信号层到达ACPLM43T的阳极，提供嵌入式LED能量，造成输出引脚Vo的状态变化，如图3，接着已隔离信号被送到电池接口
模块的通信输出级电路。

光电耦合器在全电动和混合动力汽车电子系统中扮演了非常重要的角色，提供信号隔离、高噪声抑制能力和系统保护，避免高电压进入可能对驾驶或乘员带来伤害或电击的路径，Chevy Volt电动车只是光电耦合器如何应用于协助电池组管理的一个实际范例。

图3：Avago的ACPL-M43T光电耦合器可以用来隔离微控制器和CAN收发器间的信号。