用光電耦合器隔離高電壓改善電動車鋰離子電池組的安全性
在管理系統(tǒng)中,電池監(jiān)測電路板運用兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)來可靠監(jiān)測電池狀態(tài)并提供數(shù)字化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運作的主控處理器,為了分離這些子系統(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
必須符合電動車在性能、安全以及可靠性要求的復(fù)雜電子系統(tǒng)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,鋰材料通常在石墨陽極進(jìn)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(dá)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(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,化學(xué)反應(yīng)較慢,使得電池單元的電壓較低,隨著溫度升高,反應(yīng)速度會提高直到鋰離子單元開始崩潰,當(dāng)溫度超過100°C時,電解質(zhì)開始分解,釋放出可能造成在設(shè)計上無泄壓機(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(tǒng)的一項關(guān)鍵要求,設(shè)計控制和管理系統(tǒng)時的主要挑戰(zhàn)在于確??煽康臄?shù)據(jù)采集和分析,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Chevy Volt電動車中,電池組包含了288個棱柱形鋰離子電池,分為96個電池群,通過連接提供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主電池模塊,連接到每個電池群的電壓感應(yīng)線路在連接到每個電池模塊上方時進(jìn)行終端處理并通過電壓感應(yīng)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(biāo)示的電池接口模塊在電池組的不同位置運作,分別對應(yīng)4個模塊直流電壓偏位的低、中和高電壓范圍。
電池接口模塊提供的數(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)和診斷信息提供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%的診斷聚焦于電池組的安全性,其他則作為目標(biāo)電池性能和壽命控制。
多層電路板
電池性能分析開始于如Chevy Volt電動車中使用的電池接口控制模塊,請參考圖1,設(shè)計上特別面向高信號完整性,采用四層設(shè)計的電路板使用了走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)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,其中最上層包含大多數(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,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(qū)下方,第三層包含了通過這些區(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,并包含部分額外的零組件。
圖1:Chevy Volt電動車中四個電池接口控制模塊電路板的每一個都包含多個感應(yīng)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(jìn)行隔離。
信號隔離
在電動車應(yīng)用中,通信和控制是車輛運行的重要基石,在如Chevy Volt這個車款中,使用了多重網(wǎng)絡(luò)隔離和保護(hù)獨立子系統(tǒng),使用復(fù)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(yīng)子系統(tǒng)中的電池組,不過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 Network)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(luò)和高電壓感應(yīng)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現(xiàn),但是嚴(yán)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應(yīng)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)境如汽車中EMC和EMI的免疫力,另外,這類型器件提供的高度隔離對于需要長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(zhuǎn)換時的快速高電壓瞬態(tài)變化至關(guān)重要。
在選擇這個關(guān)鍵零組件時,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)格依然重要,但對于快速開關(guān)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(zhuǎn)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。
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