圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊PCB，每塊PCB整合了多個(gè)檢測電路和CAN通信電路，并通過位于通信子系統(tǒng)邊緣的光耦加以隔離。(UBM TechInsights公司提供)

黑色的ATLPB-21-2AK PCB安裝型連接器承載有5V基準(zhǔn)、低壓基準(zhǔn)、信號(hào)地、CAN總線高速串行數(shù)據(jù)、CAN總線低速串行數(shù)據(jù)以及高壓故障信號(hào)。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號(hào)、低壓基準(zhǔn)以及來自電池單元組的電壓檢測線。
電池接口控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)復(fù)雜的檢測子系統(tǒng)——一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)電路，負(fù)責(zé)監(jiān)視每個(gè)鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經(jīng)過電池連接器到達(dá)L9763，一塊由意法微電子和LG Chem聯(lián)合開發(fā)的ASIC。

L9763 ASIC可以監(jiān)視多達(dá)10個(gè)獨(dú)立的鋰離子電池組，可以通過片上電流檢測放大器進(jìn)行電池－負(fù)載－電流的監(jiān)視，并通過片上的模擬復(fù)用器和采樣保持電路完成電池電壓的監(jiān)視(圖4)。這個(gè)器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，PCB設(shè)計(jì)師可以聯(lián)合使用走線版圖技術(shù)、隔離技術(shù)和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中信號(hào)的完整性。

圖4：L9763 ASIC包含有用于測量Volt電池組的電壓和電流以及通過無源電阻電池平衡技術(shù)平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

根據(jù)這些測量結(jié)果，L9763的片上電路會(huì)將個(gè)別電池組切換到外部電阻網(wǎng)絡(luò)，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應(yīng)力。這種簡單的無源技術(shù)為電池平衡提供了簡單、低成本的解決方案，但損失了效率，因?yàn)槟芰孔兂闪朔烹婋娮枭系臒崃慷鴵p失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術(shù)是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲(chǔ)起來，并重新分配給最低的電池。這種技術(shù)需要在每節(jié)電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲(chǔ)存或重新分配電量。雖然有源方法與無源方法相比具有節(jié)省能量的優(yōu)勢，但增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

圖5：無源電池平衡技術(shù)(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術(shù)可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。

為了給多單元鋰離子電池組充電或放電，設(shè)計(jì)一般使用恒流或恒壓方法，此時(shí)充電系統(tǒng)將使用一對MOSFET在達(dá)到想要的充電電壓時(shí)降低充電電流，或在放電操作中增加電流。L9763提供充電泵驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件。L9763會(huì)將所監(jiān)視的鋰離子電池的測量數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32MCU。L9763還向MCU提供5VLDO輸出。針對總的電池管理功能，各個(gè)L9763器件是通過片上接口鏈接的，并由主控制單元通過垂直菊花鏈通信進(jìn)行單獨(dú)尋址。

檢測電路MCU

如上所述，鋰離子電池的SOC估計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要足夠強(qiáng)大的處理能力。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，每個(gè)檢測子系統(tǒng)都有一個(gè)L9763 ASIC和一個(gè)飛思卡爾的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，該MCU集成有32kB閃存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振蕩器為MCU時(shí)鐘工作提供參考頻率。

在通用汽車－LG Chem設(shè)計(jì)中，MCU需要執(zhí)行根據(jù)L9763提供的電壓和電流測量數(shù)據(jù)估計(jì)SOC所需的運(yùn)算。雖然SOC算法是專有算法，但硬件配置和維護(hù)程序建議這些估計(jì)算法能將使用存儲(chǔ)的電池表征數(shù)據(jù)進(jìn)行的電壓驅(qū)動(dòng)估計(jì)與在充電過程中用于臨時(shí)重新校準(zhǔn)的更直接電量測量結(jié)合起來。由IBM描述的詳細(xì)系統(tǒng)建模環(huán)境的使用提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，有助于為優(yōu)化SOC計(jì)算找到合適的數(shù)據(jù)集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對方法進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

HCS08的安全功能，比如計(jì)算機(jī)工作正?？撮T狗定時(shí)器，有助于確?？煽康墓ぷ?，并在發(fā)生不可恢復(fù)的應(yīng)用軟件故障時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。在這種應(yīng)用中特別重要的是，S9S08DZ32內(nèi)部有個(gè)復(fù)雜的片上CAN控制器，當(dāng)不在使用時(shí)可以有選擇性地?cái)嚯娀蜻M(jìn)入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預(yù)測的實(shí)時(shí)性能，片上控制器集成了5個(gè)接收緩存并組成了一個(gè)FIFO緩沖器，還有3個(gè)發(fā)送緩存，允許區(qū)分輸出消息的優(yōu)先次序。

圖6：片載CAN控制器是選用飛思卡爾S9S08DZ32 MCU搭建電池接口控制模塊檢測子系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。(飛兆半導(dǎo)體提供)
在雪佛蘭Volt的系統(tǒng)之系統(tǒng)中，通信與控制是汽車工作的基礎(chǔ)，而Volt提供了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于隔離和保護(hù)各個(gè)子系統(tǒng)。上述復(fù)雜算法需要管理各個(gè)鋰離子電池組，并監(jiān)視特定電池接口控制模塊上的每個(gè)檢測子系統(tǒng)內(nèi)的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包含在CAN總線信號(hào)接口和高壓故障信號(hào)中。與此同時(shí)，系統(tǒng)安全性和可靠性取決于CAN總線網(wǎng)絡(luò)與高壓檢測電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實(shí)現(xiàn)，但惡劣環(huán)境和多種安全法規(guī)使得光耦成為這類應(yīng)用的首選解決方案。

光耦可以提供很高的共模噪聲抑制能力，并且基本上不受與汽車等電氣噪雜環(huán)境有關(guān)的EMC和EMI的影響。另外，這類器件都有很厚的多層絕緣，在面臨來自電池組的長期直流電壓應(yīng)力以及在測試、充電器連接/斷開和直流/直流轉(zhuǎn)換期間可能發(fā)生的快速高壓瞬態(tài)情況時(shí)非常有用。

在選擇這類重要元件時(shí)，針對汽車應(yīng)用的關(guān)鍵要求包括合適的封裝和工作電壓指標(biāo)。雖然性能指標(biāo)(如速度、數(shù)據(jù)速率和功耗)仍很重要，但來自快速切換時(shí)間和大瞬態(tài)電流的EMI方面的考慮因素通常限制了對非常高速器件的需求，相反增加了對調(diào)整壓擺率和性能以進(jìn)一步限制EMI的更多靈活性要求。

汽車級(jí)光耦

安華高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽車電池接口控制模塊PCB中的隔離功能。M43T是安華高R2Coupler系列產(chǎn)品中的一員，是一種汽車級(jí)單通道數(shù)字光耦，采用5個(gè)引腳的SO-5 Jedec表貼封裝。為了增強(qiáng)絕緣性能，諸如M43T等安華高的R2Coupler器件使用雙綁定線來增強(qiáng)關(guān)鍵功能焊盤(圖7)。此外，密封式汽車級(jí)LED的使用展示了擴(kuò)展的可靠性和很寬的溫度范圍，這要比基于消費(fèi)級(jí)LED的光耦要高得多。以汽車應(yīng)用為目標(biāo)的安華高器件的制造符合ISO/TS16949質(zhì)量系統(tǒng)，并獲得了AEC-Q100規(guī)范的認(rèn)證。

圖7：在諸如ACPL-M43T光耦等汽車級(jí)R2Coupler器件中，安華高使用雙綁定線加固了關(guān)鍵功能焊盤(顯示在高亮區(qū))。（安華高科技公司提供）

ACPL-M43T能夠很好地滿足雪佛蘭Volt電池組要求，指標(biāo)包括567V連續(xù)工作電壓、6000V最大瞬態(tài)過電壓、5mm爬電距離和5mm間距。該器件的邏輯高或邏輯低輸出在10mA正向輸入電流時(shí)具有30 kV/μsec的共模瞬態(tài)抑制性能，從而能夠減少來自其它汽車子系統(tǒng)的瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)入CAN傳輸網(wǎng)絡(luò)的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足夠這類設(shè)計(jì)使用。另外，器件采用了開漏輸出方式，設(shè)計(jì)工程師可以通過調(diào)整輸出壓擺率來降低下游元件中的快速開關(guān)可能導(dǎo)致的電磁輻射。下游快速開關(guān)元件包括CAN收發(fā)器，雖然在CAN物理層傳輸協(xié)議中其固有的EMI相對較低。

在電池接口模塊PCB中，M43T器件位于通信部分的邊緣，它將通信部分與高壓檢測子系統(tǒng)隔離開來，而這個(gè)高壓檢測子系統(tǒng)還被更深PCB層中的地平面進(jìn)一步屏蔽。隔離接口提供3個(gè)獨(dú)立的M43T光耦，分別用于從每個(gè)檢測