如何利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 *** 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。（UBM TechInsights授权提供）

　　［图说］

　　Sensing Circuit = 感应电路

　　Optocouplers = 光电耦合器

　　Battery Sensor = 电池传感器

　　CommunicaTIon Interface = 通信接口