电动汽车电源设计挑战:高压锂离子电池组管理系

图3：雪佛兰Volt中有4块电池接口控制模块PCB，每块PCB整合了多个检测电路和CAN通信电路，并通过位于通信子系统边缘的光耦加以隔离。(UBM TechInsights公司提供)

黑色的ATLPB-21-2AK PCB安装型连接器承载有5V基准、低压基准、信号地、CAN总线高速串行数据、CAN总线低速串行数据以及高压故障信号。橙色电池连接器承载了电池模块温度信号、低压基准以及来自电池单元组的电压检测线。
电池接口控制系统的核心是一个复杂的检测子系统——一个完整的嵌入式系统电路，负责监视每个锂离子电池组的输出电压和电池组的温度。电池电压经过电池连接器到达L9763，一块由意法微电子和LG Chem联合开发的ASIC。

L9763 ASIC可以监视多达10个独立的锂离子电池组，可以通过片上电流检测放大器进行电池－负载－电流的监视，并通过片上的模拟复用器和采样保持电路完成电池电压的监视(图4)。这个器件的差分输入可以在大偏移电压条件下确保毫伏精度的测量，具体取决于电池单元在电池组中的位置。另外，PCB设计师可以联合使用走线版图技术、隔离技术和前面提到的地平面，以确保这种极具挑战的环境中信号的完整性。

图4：L9763 ASIC包含有用于测量Volt电池组的电压和电流以及通过无源电阻电池平衡技术平衡这些电池中电量的片上电路。(意法微电子公司提供)

根据这些测量结果，L9763的片上电路会将个别电池组切换到外部电阻网络，以便有选择性地给电池放电，从而减小由于大的电压差异引起的应力。这种简单的无源技术为电池平衡提供了简单、低成本的解决方案，但损失了效率，因为能量变成了放电电阻上的热量而损失掉了(图5)。替代性的电池平衡技术是使用有源方法，将最高电压电池的电量存储起来，并重新分配给最低的电池。这种技术需要在每节电池之间顺序切换，并使用电容、电感或变压器来储存或重新分配电量。虽然有源方法与无源方法相比具有节省能量的优势，但增加了系统成本和复杂性。

图5：无源电池平衡技术(左)将高电压电池切换到放电电阻；有源电池平衡技术可以依次累积电量到电容上(右)或电感上，或者使用变压器将电量分配给低电压电池。(意法微电子提供)。

为了给多单元锂离子电池组充电或放电，设计一般使用恒流或恒压方法，此时充电系统将使用一对MOSFET在达到想要的充电电压时降低充电电流，或在放电操作中增加电流。L9763提供充电泵驱动功率MOSFET器件。L9763会将所监视的锂离子电池的测量数据通过SPI接口传送给飞思卡尔的S9S08DZ32MCU。L9763还向MCU提供5VLDO输出。针对总的电池管理功能，各个L9763器件是通过片上接口链接的，并由主控制单元通过垂直菊花链通信进行单独寻址。

检测电路MCU

如上所述，锂离子电池的SOC估计是一项复杂的任务，需要足够强大的处理能力。在这个设计中，每个检测子系统都有一个L9763 ASIC和一个飞思卡尔的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，该MCU集成有32kB闪存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振荡器为MCU时钟工作提供参考频率。

在通用汽车－LG Chem设计中，MCU需要执行根据L9763提供的电压和电流测量数据估计SOC所需的运算。虽然SOC算法是专有算法，但硬件配置和维护程序建议这些估计算法能将使用存储的电池表征数据进行的电压驱动估计与在充电过程中用于临时重新校准的更直接电量测量结合起来。由IBM描述的详细系统建模环境的使用提供了一个理想的平台，有助于为优化SOC计算找到合适的数据集，也有助于在广泛采样的工作条件下对方法进行验证确认。

HCS08的安全功能，比如计算机工作正常看门狗定时器，有助于确保可靠的工作，并在发生不可恢复的应用软件故障时自动产生复位信号。在这种应用中特别重要的是，S9S08DZ32内部有个复杂的片上CAN控制器，当不在使用时可以有选择性地断电或进入休眠模式(图6)。为了帮助确保可预测的实时性能，片上控制器集成了5个接收缓存并组成了一个FIFO缓冲器，还有3个发送缓存，允许区分输出消息的优先次序。

图6：片载CAN控制器是选用飞思卡尔S9S08DZ32 MCU搭建电池接口控制模块检测子系统的关键因素。(飞兆半导体提供)
在雪佛兰Volt的系统之系统中，通信与控制是汽车工作的基础，而Volt提供了多个网络用于隔离和保护各个子系统。上述复杂算法需要管理各个锂离子电池组，并监视特定电池接口控制模块上的每个检测子系统内的电池组。然而，最终总体电池管理需要的关键数据包含在CAN总线信号接口和高压故障信号中。与此同时，系统安全性和可靠性取决于CAN总线网络与高压检测电路的安全隔离度。虽然隔离可以用各种方法和元件实现，但恶劣环境和多种安全法规使得光耦成为这类应用的首选解决方案。

光耦可以提供很高的共模噪声抑制能力，并且基本上不受与汽车等电气噪杂环境有关的EMC和EMI的影响。另外，这类器件都有很厚的多层绝缘，在面临来自电池组的长期直流电压应力以及在测试、充电器连接/断开和直流/直流转换期间可能发生的快速高压瞬态情况时非常有用。

在选择这类重要元件时，针对汽车应用的关键要求包括合适的封装和工作电压指标。虽然性能指标(如速度、数据速率和功耗)仍很重要，但来自快速切换时间和大瞬态电流的EMI方面的考虑因素通常限制了对非常高速器件的需求，相反增加了对调整压摆率和性能以进一步限制EMI的更多灵活性要求。

汽车级光耦

安华高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽车电池接口控制模块PCB中的隔离功能。M43T是安华高R2Coupler系列产品中的一员，是一种汽车级单通道数字光耦，采用5个引脚的SO-5 Jedec表贴封装。为了增强绝缘性能，诸如M43T等安华高的R2Coupler器件使用双绑定线来增强关键功能焊盘(图7)。此外，密封式汽车级LED的使用展示了扩展的可靠性和很宽的温度范围，这要比基于消费级LED的光耦要高得多。以汽车应用为目标的安华高器件的制造符合ISO/TS16949质量系统，并获得了AEC-Q100规范的认证。

图7：在诸如ACPL-M43T光耦等汽车级R2Coupler器件中，安华高使用双绑定线加固了关键功能焊盘(显示在高亮区)。（安华高科技公司提供）

ACPL-M43T能够很好地满足雪佛兰Volt电池组要求，指标包括567V连续工作电压、6000V最大瞬态过电压、5mm爬电距离和5mm间距。该器件的逻辑高或逻辑低输出在10mA正向输入电流时具有30 kV/μsec的共模瞬态抑制性能，从而能够减少来自其它汽车子系统的瞬态信号进入CAN传输网络的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足够这类设计使用。另外，器件采用了开漏输出方式，设计工程师可以通过调整输出压摆率来降低下游元件中的快速开关可能导致的电磁辐射。下游快速开关元件包括CAN收发器，虽然在CAN物理层传输协议中其固有的EMI相对较低。

在电池接口模块PCB中，M43T器件位于通信部分的边缘，它将通信部分与高压检测子系统隔离开来，而这个高压检测子系统还被更深PCB层中的地平面进一步屏蔽。隔离接口提供3个独立的M43T光耦，分别用于从每个检测