電動(dòng)車(chē)的安全性是備受關(guān)注的，而我們主要通過(guò)提高電動(dòng)車(chē)中鋰離子電池組的安全性達(dá)到這個(gè)電動(dòng)車(chē)的相對(duì)安全，本文主要以ChevyVolt電動(dòng)車(chē)為例，通過(guò)光電耦合器來(lái)改善鋰離子電池組的安全。

目前在全電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用中，高電壓鋰離子電池組的管理面臨許多挑戰(zhàn)，除了必須監(jiān)控充電和放電循環(huán)外，基于安全考量，也需要對(duì)提供數(shù)百伏電壓的電池組進(jìn)行隔離，本文特別面向鋰離子電池監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行討論，并探討電池監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及隔離接口使用的架構(gòu)和零組件。

在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測(cè)電路板運(yùn)用兩個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)來(lái)可靠監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)并提供數(shù)字化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運(yùn)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(hào)接口，以確保高電壓不會(huì)影響數(shù)字子系統(tǒng)。

鋰離子電池特性

必須符合電動(dòng)車(chē)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(shí)，鋰材料通常在石墨陽(yáng)極進(jìn)行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動(dòng)通過(guò)分離器到達(dá)陰極造成電荷流動(dòng)，充電過(guò)程則是把整個(gè)程序反向，將鋰離子由陰極通過(guò)分離器帶回陽(yáng)極。

這個(gè)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(shí)，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(huì)提高直到鋰離子單元開(kāi)始崩潰，當(dāng)溫度超過(guò)100°C時(shí)，電解質(zhì)開(kāi)始分解，釋放出可能造成在設(shè)計(jì)上無(wú)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(huì)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(xiàng)關(guān)鍵要求，設(shè)計(jì)控制和管理系統(tǒng)時(shí)的主要挑戰(zhàn)在于確?？煽康臄?shù)據(jù)采集和分析，以便用來(lái)監(jiān)控汽車(chē)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(wèn)題。

在ChevyVolt電動(dòng)車(chē)中，電池組包含了288個(gè)棱柱形鋰離子電池，分為96個(gè)電池群，通過(guò)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(gè)主電池模塊，連接到每個(gè)電池群的電壓感應(yīng)線路在連接到每個(gè)電池模塊上方時(shí)進(jìn)行終端處理，并通過(guò)電壓感應(yīng)束帶組合連接器連接到每個(gè)電池模塊上方的電池接口模塊上，4個(gè)采用色彩標(biāo)示的電池接口模塊在電池組的不同位置運(yùn)作，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)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(huì)送到電池能量控制模塊中，接著這個(gè)模塊會(huì)將故障情況、狀態(tài)和診斷信息提供給作為車(chē)輛診斷主控制器的混合動(dòng)力控制模塊，在任何時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)每秒會(huì)運(yùn)行超過(guò)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(kāi)始于如ChevyVolt電動(dòng)車(chē)中使用的電池接口控制模塊，請(qǐng)參考圖1，設(shè)計(jì)上特別面向高信號(hào)完整性，采用四層設(shè)計(jì)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(lái)協(xié)助確保如此深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號(hào)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(gè)通孔的信號(hào)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(guò)這些區(qū)域下方的信號(hào)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(hào)走線，并包含部分額外的零組件。

圖1：ChevyVolt電動(dòng)車(chē)中四個(gè)電池接口控制模塊電路板的每一個(gè)都包含多個(gè)感應(yīng)電路和CAN通信電路，并通過(guò)通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進(jìn)行隔離。

SensingCircuit=感應(yīng)電路

Optocouplers=光電耦合器

BatterySensor=電池傳感器

CommunicationInterface=通信接口