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如何提高電動車鋰離子電池組的安全性

鉅大LARGE  |  點擊量:512次  |  2018年08月04日  

摘要
電動車的安全性是備受關注的,而我們主要通過提高電動車中鋰離子電池組的安全性達到這個電動車的相對安全,本文主要以Chevy Volt電動車為例,通過光電耦合器來改善鋰離子電池組的安全。

電動車的安全性是備受關注的,而我們主要通過提高電動車中鋰離子電池組的安全性達到這個電動車的相對安全,本文主要以ChevyVolt電動車為例,通過光電耦合器來改善鋰離子電池組的安全。

目前在全電動或混合動力汽車應用中,高電壓鋰離子電池組的管理面臨許多挑戰,除了必須監控充電和放電循環外,基于安全考量,也需要對提供數百伏電壓的電池組進行隔離,本文特別面向鋰離子電池監測需求進行討論,并探討電池監控系統、數字通信系統以及隔離接口使用的架構和零組件。

在管理系統中,電池監測電路板運用兩個關鍵子系統來可靠監測電池狀態并提供數字化結果給掌管控制系統運作的主控處理器,為了分離這些子系統,在高電壓電池感應電路和電路板的通信器件間采用光隔離信號接口,以確保高電壓不會影響數字子系統。

鋰離子電池特性

必須符合電動車在性能、安全以及可靠性要求的復雜電子系統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,鋰材料通常在石墨陽極進行離子化,接著這些鋰離子藉由電解質移動通過分離器到達陰極造成電荷流動,充電過程則是把整個程序反向,將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。

這個化學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,化學反應較慢,使得電池單元的電壓較低,隨著溫度升高,反應速度會提高直到鋰離子單元開始崩潰,當溫度超過100°C時,電解質開始分解,釋放出可能造成在設計上無泄壓機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因氧化物分解面臨熱失控釋放出氧氣,進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的一項關鍵要求,設計控制和管理系統時的主要挑戰在于確??煽康臄祿杉头治?,以便用來監控汽車中鋰離子電池的狀態,而這正是鋰離子電池本身的特性問題。

在ChevyVolt電動車中,電池組包含了288個棱柱形鋰離子電池,分為96個電池群,通過連接提供386.6V的直流系統電壓,這些電池群結合溫度感應器和冷卻單元形成四個主電池模塊,連接到每個電池群的電壓感應線路在連接到每個電池模塊上方時進行終端處理,并通過電壓感應束帶組合連接器連接到每個電池模塊上方的電池接口模塊上,4個采用色彩標示的電池接口模塊在電池組的不同位置運作,分別對應4個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據會送到電池能量控制模塊中,接著這個模塊會將故障情況、狀態和診斷信息提供給作為車輛診斷主控制器的混合動力控制模塊,在任何時間,整個系統每秒會運行超過5000次的系統診斷,其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性,其他則作為目標電池性能和壽命控制。

多層電路板

電池性能分析開始于如ChevyVolt電動車中使用的電池接口控制模塊,請參考圖1,設計上特別面向高信號完整性,采用四層設計的電路板使用了走線布局技術、隔離技術和接地平面的組合來協助確保如此深具挑戰性環境中的信號完整性,其中最上層包含大多數零組件,包括光隔離器、接地平面和帶有多個通孔的信號走線,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下方,第三層包含了通過這些區域下方的信號走線,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走線,并包含部分額外的零組件。

提高電動車鋰離子電池組安全性的方法

圖1:ChevyVolt電動車中四個電池接口控制模塊電路板的每一個都包含多個感應電路和CAN通信電路,并通過通信子系統邊緣的光電耦合器進行隔離。

SensingCircuit=感應電路

Optocouplers=光電耦合器

BatterySensor=電池傳感器

CommunicationInterface=通信接口

信號隔離

在電動車應用中,通信和控制是車輛運行的重要基石,在如ChevyVolt這個車款中,使用了多重網絡隔離和保護獨立子系統,使用復雜的算法管理獨立鋰離子電池群并監測特殊電池接口控制模塊上每個感應子系統中的電池組,不過作為整體電池管理的關鍵數據被包含在控制器區域網絡(CAN,ControllerAreaNetwork)總線信號接口和一個高電壓故障信號中,同時系統的安全性和可靠性也仰賴CAN總線網絡和高電壓感應電路間的安全隔離,雖然隔離可以使用多種方法和零組件實現,但是嚴苛的環境以及多重安全法規要求使得光電耦合器成為這類型應用的首選解決方案。

光電耦合器提供有高共模噪聲抑制能力,并在根本上具備高電氣噪聲環境如汽車中EMC和EMI的免疫力,另外,這類型器件提供的高度隔離對于需要長期面對電池組直流電壓壓力,以及可能發生于測試、充電連接和移除以及直流-直流轉換時的快速高電壓瞬態變化至關重要。

在選擇這個關鍵零組件時,汽車應用的主要要求包括合適的封裝和工作電壓規格,雖然包括速度、數據率和功耗等性能規格依然重要,但對于快速開關和高電流變化造成EMI的考慮基本上會限制超高速器件的需求,從而轉向提高對調整壓擺率和限制EMI性能等的更高靈活度要求。

為了符合汽車應用環境的嚴格規范要求,Avago提供了多個系列的光電耦合器產品,可以應用在電池組的電壓感應上,帶來數據通信接口和其他應用的安全隔離,表1提供符合各種汽車應用環境的光電耦合器產品。

表1:各種光電耦合器合適的汽車應用

提高電動車鋰離子電池組安全性的方法

汽車用光電耦合器

舉例來說,Avago的ACPL-M43T光電耦合器就提供了電池接口控制模塊電路板需要的隔離功能,作為AvagoR2Coupler系列的一員,ACPL-M43T是一款采用緊湊5引腳SO-5JEDEC封裝,適合表面貼裝應用的車用級單通道數字光電耦合器。除了強化絕緣能力外,Avago的R2Coupler產品使用雙線來強化關鍵的功能連接,如圖2。另外,密封型光電耦合器展現了更強的可靠性和更廣的工作溫度范圍,大幅度超越使用消費類等級LED的光電耦合器產品。專門面向汽車應用設計,Avago的產品使用車用級LED,通過符合ISO/TS16949的質量系統進行制造,并符合AEC-Q100規格要求。

提高電動車鋰離子電池組安全性的方法

圖2:對于車用級R2Coupler產品如ACPL-M43T光電耦合器,Avago使用雙線強化關鍵功能連接。(圖中高亮顯示)

這個器件非常適合電動車電池組的要求,提供包括567V連續工作電壓,6000V最高瞬態過電壓、5mm爬電距離和5mm電氣間隙等規格,在10mA順向輸入電流時,不管是邏輯高電平或低電平輸出都具有30kV/μs的共模瞬變抗擾度,可以降低其他汽車子系統變化進入CAN傳輸線網絡的機會。

ACPL-M43T的1M波特率對于這類設計已經非常足夠,另外,采用的集電極開路輸出也可以允許設計工程師調整輸出壓擺率來降低可能來自于其他零組件,包括CAN收發器等快速開關時間的電磁輻射,盡管CAN物理層傳輸協議自帶相對較低的EMI。

在電池接口模塊電路板中,ACPL-M43T位于通信區的邊緣,通過更深層電路板中的接地面屏蔽進一步把它和高電壓感應子系統隔離,隔離接口提供三個獨立ACPLM43T光電耦合器給三個由感應電路發出的連接線,特別是CAN發射輸出引腳,微控制器的CAN接收輸入引腳和微控制器的高電壓故障信號。微控制器的CAN發射引腳輸出通過電路板的屏蔽信號層到達ACPL-M43T的陽極,提供嵌入式LED能量,造成輸出引腳Vo的狀態變化,如圖3,接著已隔離信號被送到電池接口模塊的通信輸出級電路。

提高電動車鋰離子電池組安全性的方法

圖3:Avago的ACPL-M43T光電耦合器可以用來隔離微控制器和CAN收發器間的信號。

光電耦合器在全電動和混合動力汽車電子系統中扮演了非常重要的角色,提供信號隔離、高噪聲抑制能力和系統保護,避免高電壓進入可能對駕駛或乘員帶來傷害或電擊的路徑,ChevyVolt電動車只是光電耦合器如何應用于協助電池組管理的一個實際范例。

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