信号隔离性能显著 光耦合器强化EV电池安全

目前在全电动（BEV）或混合动力汽车（HEV）应用中，高电压锂电池组的管理面临诸多挑战，除必须监控充电和放电回圈外，基于安全考量，亦须要对提供数百伏特电压的电池组进行隔离。本文特别针对锂电池监测需求进行讨论，并探讨电池监控系统、数位通信系统及隔离介面使用的架构和元件。

在管理系统中，电池监测电路板运用两个关键子系统监测电池状态，并提供数位化结果给掌管控制系统运作的主控处理器。为分离这些子系统，在高电压电池感应电路和电路板的通信元件间采用光隔离信号介面，以确保高电压不会影响数位子系统。

保持锂电池稳定操作　电池管理系统扮要角

复杂的电子系统必须符合电动车在性能、安全及可靠性要求，且受到锂电池特性的影响。锂电池放电时，锂材料通常在石墨阳极进行离子化，接着这些锂离子借由电解质移动通过分离器至阴极造成电荷流动，充电过程则是把整个程式反向，将锂离子由阴极通过分离器带回阳极。

这个化学反能程式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，直至锂离子单元开始崩溃。当温度超过100℃时，电解质开始分解，释放出无洩压机制设计的电池单元遇到压力所产生的气体。在够高的温度下，锂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。

也因此，保持锂电池的最佳操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资料获取和分析，以监控汽车中锂电池的状态，而这正是锂电池本身的特性问题。

在Chevy电动车Volt中，电池组包含二百八十八个棱柱形锂电池，分为九十六个电池群，通过连接提供386.6伏特的直流系统电压，这些电池群结合温度感应器和冷却单元，形成四个主电池模组，连接到每个电池群的电压感应线路，再连接至每个电池模组上方时进行终端处理，并通过电压感应束带组合连接器，连接至每个电池模组上方的电池介面模组。四个采用色彩标示的电池介面模组在电池组的不同位置运作，分别对应四个模组直流电压偏位元的低、中和高电压范围。

电池介面模组提供的资料会送到电池能量控制模组中，接着此模组会将故障情况、状态和诊断资信提供给作为车辆诊断主控制器的混合动力控制模组，整个系统每秒会运行超过五千次的系统诊断，其中85%的诊断聚焦于电池组的安全性，其他则做为目标电池性能和寿命控制。

确保信号完整性　多层电路板功不可没

电池性能分析开始于如Chevy电动车Volt中使用的电池介面控制模组（图1）。该控制模组设计针对高信号完整性采用四层设计的电路板，使用走线布局技术、隔离技术和接地平面的组合，以协助确保深具挑战性环境中的信号完整性。其中，最上层包含大多数元件，如光隔离器、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；第三层包含通过这些区域下方的信号走线；印刷电路板（PCB）的另一面，亦即第四层为接地平面和信号走线，并囊括部分额外的元件。

图1 Chevy Volt电动车中四个电池介面控制模组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。

在电动车应用中，通信和控制是车辆运行的重要基石，在如Volt电动车中，使用多重网路隔离和保护独立子系统，采取复杂的演算法管理独立锂电池群，并监测特殊电池介面控制模组上每个感应子系统中的电池组。不过，整体电池管理的关键资料被包含在控制器区域网路（CAN）汇流排信号介面，以及一个高电压故障信号中，同时系统的安全性和可靠性也仰赖CAN汇流排网路和高电压感应电路间的安全隔离。虽然隔离可使用多种方法和元件实现，但严苛的环境和多重安全法规要求，使得光电耦合器成为这类型应用的首选解决方案。

达成最佳信号隔离　光电耦合器炙手可热

光耦合器提供有高共模杂信抑制能力，并具备高电气杂信环境，如汽车中电磁相容（EMC）和电磁干扰（EMI）的免疫力；另外，这类型元件提供的高度隔离对于须要长期面对电池组直流电压压力，以及可能发生于测试、充电连接和移除及直流对直流（DC-DC）转换时的快速高电压瞬态变化，至关重要。

在选择这个关键元件时，汽车应用的主要要求包括合适的封装和工作电压规格，虽然速度、资料率和功耗等性能规格依然重要，但考量快速开关和高电流变化所造成的EMI，基本上会限制超高速元件的需求，从而转向提高对调整压摆率和限制EMI性能等的更高灵活度要求。

光电耦合器在全电动和混合动力汽车电子系统中扮演非常重要的角色，提供信号隔离、高杂信抑制能力和系统保护，避免高电压进入可能对驾驶或乘员带来伤害或电击的路径，而Volt电动车只是光电耦合器如何应用于协助电池组管理的一个实际范例。