信號隔離性能顯著 光耦合器強化EV電池安全

目前在全電動(BEV)或混合動力汽車(HEV)應用中，高電壓鋰電池組的管理面臨諸多挑戰，除必須監控充電和放電回圈外，基于安全考量，亦須要對提供數百伏特電壓的電池組進行隔離。本文特別針對鋰電池監測需求進行討論，并探討電池監控 系統、數位通信系統及隔離介面使用的架構和元件。

在管理系統中，電池監測電路板運用兩個關鍵子系統監測電池狀態，并提供數位化結果給掌管控制系統運作的主控處理器。為分離這些子系統，在高電壓電池感應電路和電路板的通信元件間采用光隔離信號介面，以確保高電壓不會影響數位子系統。

保持鋰電池穩定操作　電池管理系統扮要角

復雜的電子系統必須符合電動車在性能、安全及可靠性要求，且受到鋰電池特性的影響。鋰電池放電時，鋰材料通常在石墨陽極進行離子化，接著這些鋰離子借由電解質移動通過分離器至陰極造成電荷流動，充電過程則是把整個程式反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。

這個化學反能程式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，直至鋰離子單元開始崩潰。當溫度超過100℃時，電解質開始分解，釋放出無壓機制設計的電池單元遇到壓力所產生的氣體。在夠高的溫度下，鋰電池單元可能會因氧化物分解面臨熱失控釋放出氧氣，進一步加速溫度的升高。

也因此，保持鋰電池的最佳操作條件是電池管理系統的一項關鍵要求，設計控制和管理系統時的主要挑戰在于確保可靠的資料獲取和分析，以監控汽車中鋰電池的狀態，而這正是鋰電池本身的特性問題。

在Chevy電動車Volt中，電池組包含二百八十八個棱柱形鋰電池，分為九十六個電池群，通過連接提供386.6伏特的直流系統電壓，這些電池群結合溫度感應器和冷卻單元，形成四個主電池模組，連接到每個電池群的電壓感應線路，再連接至每個電池模組上方時進行終端處理，并通過電壓感應束帶組合連接器，連接至每個電池模組上方的電池介面模組。四個采用色彩標示的電池介面模組在電池組的不同位置運作，分別對應四個模組直流電壓偏位元的低、中和高電壓范圍。

電池介面模組提供的資料會送到電池能量控制模組中，接著此模組會將故障情況、狀態和診斷資信提供給作為車輛診斷主控制器的混合動力控制模組，整個系統每秒會運行超過五千次的系統診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性，其他則做為目標電池性能和壽命控制。

確保信號完整性　多層電路板功不可沒

電池性能分析開始于如Chevy電動車Volt中使用的電池介面控制模組(圖1)。該控制模組設計針對高信號完整性采用四層設計的電路板，使用走線布局技術、隔離技術和接地平面的組合，以協助確保深具挑戰性環境中的信號完整性。其中，最上層包含大多數元件，如光隔離器、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下方;第三層包含通過這些區域下方的信號走線;印刷電路板(PCB)的另一面，亦即第四層為接地平面和信號走線，并囊括部分額外的元件。

圖1 Chevy Volt電動車中四個電池介面控制模組電路板的每一個都包含多個感應電路和CAN通信電路，并通過通信子系統邊緣的光電耦合器進行隔離。

在電動車應用中，通信和控制是車輛運行的重要基石，在如Volt電動車中，使用多重網路隔離和保護獨立子系統，采取復雜的演算法管理獨立鋰電池群，并監測特殊電池介面控制模組上每個感應子系統中的電池組。不過，整體電池管理的關鍵資料被包含在控制器區域網路(CAN)匯流排信號介面，以及一個高電壓故障信號中，同時系統的安全性和可靠性也仰賴CAN匯流排網路和高電壓感應電路間的安全隔離。雖然隔離可使用多種方法和元件實現，但嚴苛的環境和多重安全法規要求，使得光電耦合器成為這類型應用的首選解決方案。

達成最佳信號隔離　光電耦合器炙手可熱

光耦合器提供有高共模雜信抑制能力，并具備高電氣雜信環境，如汽車中電磁相容(EMC)和電磁干擾(EMI)的免疫力;另外，這類型元件提供的高度隔離對于須要長期面對電池組直流電壓壓力，以及可能發生于測試、充電連接和移除及直流對直流(DC-DC)轉換時的快速高電壓瞬態變化，至關重要。

在選擇這個關鍵元件時，汽車應用的主要要求包括合適的封裝和工作電壓規格，雖然速度、資料率和功耗等性能規格依然重要，但考量快速開關和高電流變化所造成的EMI，基本上會限制超高速元件的需求，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。

光電耦合器在全電動和混合動力汽車電子系統中扮演非常重要的角色，提供信號隔離、高雜信抑制能力和系統保護，避免高電壓進入可能對駕駛或乘員帶來傷害或電擊的路徑，而Volt電動車只是光電耦合器如何應用于協助電池組管理的一個實際范例。