電動汽車電源設計挑戰:高壓鋰離子電池組管理系

圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊PCB，每塊PCB整合了多個檢測電路和CAN通信電路，并通過位于通信子系統邊緣的光耦加以隔離。(UBM TechInsights公司提供)

黑色的ATLPB-21-2AK PCB安裝型連接器承載有5V基準、低壓基準、信號地、CAN總線高速串行數據、CAN總線低速串行數據以及高壓故障信號。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號、低壓基準以及來自電池單元組的電壓檢測線。
電池接口控制系統的核心是一個復雜的檢測子系統——一個完整的嵌入式系統電路，負責監視每個鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經過電池連接器到達L9763，一塊由意法微電子和LG Chem聯合開發的ASIC。

L9763 ASIC可以監視多達10個獨立的鋰離子電池組，可以通過片上電流檢測放大器進行電池－負載－電流的監視，并通過片上的模擬復用器和采樣保持電路完成電池電壓的監視(圖4)。這個器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，PCB設計師可以聯合使用走線版圖技術、隔離技術和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰的環境中信號的完整性。

圖4：L9763 ASIC包含有用于測量Volt電池組的電壓和電流以及通過無源電阻電池平衡技術平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

根據這些測量結果，L9763的片上電路會將個別電池組切換到外部電阻網絡，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應力。這種簡單的無源技術為電池平衡提供了簡單、低成本的解決方案，但損失了效率，因為能量變成了放電電阻上的熱量而損失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲起來，并重新分配給最低的電池。這種技術需要在每節電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲存或重新分配電量。雖然有源方法與無源方法相比具有節省能量的優勢，但增加了系統成本和復雜性。

圖5：無源電池平衡技術(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。

為了給多單元鋰離子電池組充電或放電，設計一般使用恒流或恒壓方法，此時充電系統將使用一對MOSFET在達到想要的充電電壓時降低充電電流，或在放電操作中增加電流。L9763提供充電泵驅動功率MOSFET器件。L9763會將所監視的鋰離子電池的測量數據通過SPI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32MCU。L9763還向MCU提供5VLDO輸出。針對總的電池管理功能，各個L9763器件是通過片上接口鏈接的，并由主控制單元通過垂直菊花鏈通信進行單獨尋址。

檢測電路MCU

如上所述，鋰離子電池的SOC估計是一項復雜的任務，需要足夠強大的處理能力。在這個設計中，每個檢測子系統都有一個L9763 ASIC和一個飛思卡爾的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，該MCU集成有32kB閃存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振蕩器為MCU時鐘工作提供參考頻率。

在通用汽車－LG Chem設計中，MCU需要執行根據L9763提供的電壓和電流測量數據估計SOC所需的運算。雖然SOC算法是專有算法，但硬件配置和維護程序建議這些估計算法能將使用存儲的電池表征數據進行的電壓驅動估計與在充電過程中用于臨時重新校準的更直接電量測量結合起來。由IBM描述的詳細系統建模環境的使用提供了一個理想的平臺，有助于為優化SOC計算找到合適的數據集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對方法進行驗證確認。

HCS08的安全功能，比如計算機工作正常看門狗定時器，有助于確保可靠的工作，并在發生不可恢復的應用軟件故障時自動產生復位信號。在這種應用中特別重要的是，S9S08DZ32內部有個復雜的片上CAN控制器，當不在使用時可以有選擇性地斷電或進入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預測的實時性能，片上控制器集成了5個接收緩存并組成了一個FIFO緩沖器，還有3個發送緩存，允許區分輸出消息的優先次序。

圖6：片載CAN控制器是選用飛思卡爾S9S08DZ32 MCU搭建電池接口控制模塊檢測子系統的關鍵因素。(飛兆半導體提供)
在雪佛蘭Volt的系統之系統中，通信與控制是汽車工作的基礎，而Volt提供了多個網絡用于隔離和保護各個子系統。上述復雜算法需要管理各個鋰離子電池組，并監視特定電池接口控制模塊上的每個檢測子系統內的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關鍵數據包含在CAN總線信號接口和高壓故障信號中。與此同時，系統安全性和可靠性取決于CAN總線網絡與高壓檢測電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實現，但惡劣環境和多種安全法規使得光耦成為這類應用的首選解決方案。

光耦可以提供很高的共模噪聲抑制能力，并且基本上不受與汽車等電氣噪雜環境有關的EMC和EMI的影響。另外，這類器件都有很厚的多層絕緣，在面臨來自電池組的長期直流電壓應力以及在測試、充電器連接/斷開和直流/直流轉換期間可能發生的快速高壓瞬態情況時非常有用。

在選擇這類重要元件時，針對汽車應用的關鍵要求包括合適的封裝和工作電壓指標。雖然性能指標(如速度、數據速率和功耗)仍很重要，但來自快速切換時間和大瞬態電流的EMI方面的考慮因素通常限制了對非常高速器件的需求，相反增加了對調整壓擺率和性能以進一步限制EMI的更多靈活性要求。

汽車級光耦

安華高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽車電池接口控制模塊PCB中的隔離功能。M43T是安華高R2Coupler系列產品中的一員，是一種汽車級單通道數字光耦，采用5個引腳的SO-5 Jedec表貼封裝。為了增強絕緣性能，諸如M43T等安華高的R2Coupler器件使用雙綁定線來增強關鍵功能焊盤(圖7)。此外，密封式汽車級LED的使用展示了擴展的可靠性和很寬的溫度范圍，這要比基于消費級LED的光耦要高得多。以汽車應用為目標的安華高器件的制造符合ISO/TS16949質量系統，并獲得了AEC-Q100規范的認證。

圖7：在諸如ACPL-M43T光耦等汽車級R2Coupler器件中，安華高使用雙綁定線加固了關鍵功能焊盤(顯示在高亮區)。（安華高科技公司提供）

ACPL-M43T能夠很好地滿足雪佛蘭Volt電池組要求，指標包括567V連續工作電壓、6000V最大瞬態過電壓、5mm爬電距離和5mm間距。該器件的邏輯高或邏輯低輸出在10mA正向輸入電流時具有30 kV/μsec的共模瞬態抑制性能，從而能夠減少來自其它汽車子系統的瞬態信號進入CAN傳輸網絡的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足夠這類設計使用。另外，器件采用了開漏輸出方式，設計工程師可以通過調整輸出壓擺率來降低下游元件中的快速開關可能導致的電磁輻射。下游快速開關元件包括CAN收發器，雖然在CAN物理層傳輸協議中其固有的EMI相對較低。

在電池接口模塊PCB中，M43T器件位于通信部分的邊緣，它將通信部分與高壓檢測子系統隔離開來，而這個高壓檢測子系統還被更深PCB層中的地平面進一步屏蔽。隔離接口提供3個獨立的M43T光耦，分別用于從每個檢測