【導(dǎo)讀】電動汽車逐漸成為近年來的一個(gè)熱門話題。這種"綠色"汽車依靠串聯(lián)電池組來獲得足夠高的電壓，從而有效驅(qū)動電機(jī)。全電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV) 均采用這種高壓 (HV) 電池組。HEV 依靠內(nèi)燃機(jī) (ICE) 充電，而且在許多情況下，內(nèi)燃機(jī)也會提供動力。 EV 則必須插入電源中充電，有些新型混合動力設(shè)計(jì)稱為"插電式混合動力汽車"(PHEV)，它基本上可視為一種 EV，但配有內(nèi)燃機(jī)以延長行駛里程。
高壓電池組已廣泛用于許多工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)以外的領(lǐng)域，通常可用作：以直流形式儲存輸電網(wǎng)電能的不間斷電源 (UPS)； 48-V 通信設(shè)備中的應(yīng)急直流電源；起重機(jī)和電梯系統(tǒng)中的應(yīng)急電源；以及緊急情況下驅(qū)動風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。雖然本文討 論汽車中電池組的使用，但一些根本問題在所有類型電池組中都會存在。
交通運(yùn)輸應(yīng)用中的電池組一般含有 100 塊甚至更多的電池，可提供數(shù)百伏電壓。一般公認(rèn)50 V 或60 V 以上的電壓可以致 命，而可能導(dǎo)致電子設(shè)備損壞的電壓則更低（考慮利用某些類型電化學(xué)反應(yīng)的電池穩(wěn)定性），因此安全問題至關(guān)重要。雖然 這些電池組本身具有危險(xiǎn)性，但仍然必須與電池殼內(nèi)的電池監(jiān)控電子設(shè)備通信。因此，通信方式必須安全可靠。
高壓電池組中的電池結(jié)構(gòu)
原始設(shè)備制造商一般要求將電池裝到保護(hù)殼中，稱為"電池包"，通常含有 6 到 24 塊串聯(lián)電池。含有較多電池的電池包體積更大，也不易放入典型的汽車空間中。相關(guān)的電池監(jiān)控集 成電路靠近受監(jiān)控的電池，并由電池本身供電。是否有必要監(jiān)控各電池的電壓，取決于電池的化學(xué)原理。例如，我們非常了解基于鎳氫 (NiMH) 化學(xué)原理的高壓電池組性能，因此一般無 需測量各電池電壓，只需測量特定電池包內(nèi)所有電池的總電壓即可。而基于鋰離子(Li-Ion) 化學(xué)原理的電池組，則必需監(jiān)控各電池的電壓，以便檢測電池串中的任一電池有無發(fā)生過壓或 欠壓情況。一般不必測量各鋰離子電池的溫度，但應(yīng)提供相關(guān)測量功能。因此，鎳氫電池組的監(jiān)控電子設(shè)備比鋰離子電池組的監(jiān)控電子設(shè)備簡單得多。圖1 顯示一種構(gòu)建和監(jiān)控高壓電池 組的常用方法。
電池監(jiān)控器 IC 通常處理 6 塊或 12 塊電池。目前，ADI 公司提供兩種專用特殊用途 (ASSP) 產(chǎn)品用于電池監(jiān)控： AD72801 基于高速多路復(fù)用 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要用作主監(jiān)控器；另一種器件基于一系列窗口比較器，用作備用或冗余監(jiān)控器。本文不會深入討論這些產(chǎn)品，但仍需說明這些器件在電池組配 置中如何通信。每個(gè)電池為上方電池的測量輸入確立共模電平。菊花鏈接口允許電池組的各AD7280 直接與其上或其下的AD7280 通信（從而沿著堆疊上下傳遞數(shù)字信息），而無需隔離。最底部AD7280 的SPI 接口用來與系統(tǒng)微控制器交換整個(gè) 電池組的數(shù)據(jù)和控制信號。此處必須采用高壓電流隔離，以保護(hù)系統(tǒng)中的其它低壓電子器件。
圖1. 電池組中的串聯(lián)電池監(jiān)控和隔離
圖 1 中，串聯(lián)電池串的中間有一個(gè)開關(guān)或接觸器。一般情況下，無論汽車正常行駛還是停車，該開關(guān)始終閉合。車輛維修時(shí)或緊急情況下，需將該開關(guān)拉開或離開所在位置，禁止電池 組端電極出現(xiàn)電池組電壓。為了不影響開關(guān)斷開所提供的隔離性能，必須確保沒有任何電子器件橋接開關(guān)端子。因此，開關(guān)斷開時(shí)，電池組的上半部分應(yīng)與下半部分應(yīng)保持電氣隔離。這 意味著，電池組上半部分的電池?cái)?shù)據(jù)必須通過其最底部的電池監(jiān)控器通信，跨過隔離柵，傳輸至管理整個(gè)電池組數(shù)據(jù)流入流出的微處理器或微控制器。類似地，電池組下半部分也必須與 此微處理器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。
除電池監(jiān)控器外，電池組中還有一個(gè)電流監(jiān)控器，用來測量并報(bào)告電池組的電流。該監(jiān)控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離?；魻栃?yīng)電流傳感器本身具有電流隔離功能，無需再 配置隔離電路。不過，如果該電流傳感器采用分流元件，則相關(guān)的分流監(jiān)控電路需要單獨(dú)的隔離柵。使用分流方法檢測電流越來越受歡迎，它比霍爾效應(yīng)檢測更穩(wěn)定、更精確，而且價(jià)格 也更有競爭力。使用低值分流電阻和低成本、高分辨率監(jiān)控電子器件（例如通過AEC-Q100 認(rèn)證的AD820x 和AD821x 系列 分流監(jiān)控器 , 至今針對汽車插座的出貨量已超過1 億片），可以將自發(fā)熱降至極小，使這種方法的傳統(tǒng)弊端不復(fù)存在。因此，除非電流檢測監(jiān)控器能夠接入最底部的電池監(jiān)控器，共用 其隔離柵，否則圖 1 中的系統(tǒng)需要三個(gè)獨(dú)立的隔離柵。另一種頗受歡迎的構(gòu)建電池組方法是將電池包分為一系列電氣獨(dú)立的電池群組（圖 2）。每個(gè)電池群組最底部的監(jiān)控器跨過 專用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器.
另一種頗受歡迎的構(gòu)建電池組方法是將電池包分為一系列電氣 獨(dú)立的電池群組（圖 2）。每個(gè)電池群組最底部的監(jiān)控器跨過專用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器。
圖2. 并行接入電池包的電池組
這種方法會使用更多的數(shù)字隔離器，因此成本比圖1 所示系統(tǒng)更高，但它可以同時(shí)要求所有電池群組報(bào)告電池組內(nèi)電池監(jiān)控器所監(jiān)測到的信息，從而能在更短的時(shí)間內(nèi)回讀所有電池?cái)?shù) 據(jù)。另一個(gè)好處是，當(dāng)菊花鏈發(fā)生問題時(shí)，如斷線或連接器接觸不良等，備用監(jiān)控器可以繼續(xù)監(jiān)控。將剩余電池包電壓與總電池組電壓進(jìn)行相關(guān)分析，仍然可以確定停止工作電池包的數(shù)據(jù)。
這種方法的確需要更多電纜，由于高達(dá) 75% 的電磁兼容性(EMC) 問題與輸入/輸出(I/O) 端口有關(guān)，因此這可能會引發(fā)問題。 I/O 端口是一種開放式通路，供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進(jìn)入一臺設(shè)備，以及供干擾信號逃逸——通過傳導(dǎo)I/O 線路上的雜散信號，或者通過I/O 電纜的輻射。電池 組電纜較多的話，若不特別注意信號的穩(wěn)定性以及所選的通信協(xié)議，其 EMC 性能會大幅下降。因此，與端口相連的 I/O 設(shè)備的 EMC 性能對于整臺設(shè)備的 EMC 性能至關(guān)重要
頗受歡迎的SPI通信協(xié)議適合同一印刷電路板 (PCB) 上的器件之間通信，但單端信號可能難以經(jīng)由 24 至36 英寸電線實(shí)現(xiàn) 可靠傳輸，尤其在高噪聲環(huán)境中。如果數(shù)字信號要在板外傳輸，則謹(jǐn)慎起見，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能需使用差分收發(fā)器，例如 ADM485. 這些收發(fā)器可以采用低端電源供電，無需直接耗用 電池組中的電池電源。
隔離技術(shù)是電池組通信的關(guān)鍵
為了提高電池組電壓，以便滿足重型私家車以及輕型卡車、貨車的更高功率電機(jī)需求，必須增加電池組中的電池?cái)?shù)量。除了增加串聯(lián)電池?cái)?shù)量之外，現(xiàn)在的許多電池包還含有并聯(lián)電池串，目的是提高整個(gè)電池包的安培小時(shí)(AH) 容量。必須監(jiān)控各并聯(lián)電池串，因而需要收集大量數(shù)據(jù)。與所有這些電池相關(guān)的電池監(jiān)控器數(shù)據(jù)，必須在系統(tǒng)集成商設(shè)定的系統(tǒng)環(huán)路時(shí)間要求范圍內(nèi)，可靠地回傳給電池測量系統(tǒng)(BMS) 微控制器。
因此，跨越系統(tǒng)間邊界提供可靠數(shù)據(jù)通信的難度也隨之增加。獲得汽車應(yīng)用認(rèn)證的隔離技術(shù)，正是跨越典型電池組內(nèi)如此眾多的隔離邊界實(shí)現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵因素， ADI 公司就能夠提供這種技術(shù)。該技術(shù)的基礎(chǔ)是"磁隔離"，變壓器則采用高性價(jià)比標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝以平面方式制造（參見圖3）。這有利于將多個(gè)隔離通道集成到單個(gè)器件中，或者將隔離通道與其它 半導(dǎo)體功能，如線路驅(qū)動器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等（例如隔離Σ-Δ調(diào)制器AD7400 )集成于一體。
圖3. 四通道隔離器ADuM1402功能框圖
不像光耦合器，這些iCoupler®數(shù)字隔離器的性能在汽車整個(gè)使用期限內(nèi)都不會下降，可以適應(yīng)因季節(jié)變化經(jīng)常會遇到的惡劣工作條件。表1 所列為最近發(fā)布的系列器件，這些器件已通過 AEC-Q100 認(rèn)證，工作溫度最高可達(dá) 125°C，所用材料與ADI 公司iCoupler 系列產(chǎn)品中廣泛認(rèn)可的對應(yīng)器件相同，至今該系列出貨量已超過3 億片。表中雙通道、3 通道和 4 通道 數(shù)字隔離器系列的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)25 Mbps，傳播延遲低至32 ns。
表 1. 通過AEC Q100 認(rèn)證的 i Coupler 隔離器
平面變壓器本身是雙向的，因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數(shù)范圍內(nèi)，驅(qū)動通道和接收通道可以任意組合使用。 例如，雙通道 ADuM120xW、3 通道 ADuM130xW 和 4 通道ADuM140xW 單獨(dú)或一起可提供7種不同的通道配置（4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1），確保所有情形下都能采用最 佳解決方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。
圖 4. ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置
iCoupler 技術(shù)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：支持高數(shù)據(jù)速率，以及可以采用低電源電流工作。iCoupler 通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數(shù)據(jù)速率。采用 3V 電源工作、數(shù)據(jù)速率最高為 2 Mbps 時(shí)， ADuM140xWS 兩端及所有四個(gè)通道的總電源電流典型值為1.6 mA（最大值4 mA）。因?yàn)樵贏DuM140xWS 的隔離端或"熱"端，電源來自電池本身（通過一個(gè)穩(wěn)壓器），所以低功耗十分重要。監(jiān)控器也采用同一電壓源供電，因 此，監(jiān)控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產(chǎn)品均提供小尺寸、薄型、表貼8 引腳SOIC_W或16 引腳SOIC_W封裝，并且已通過 UL、CSA 和 VDE 安全認(rèn)證。隔離額定值 最高可達(dá)2.5 kV（有效值），工作電壓最高可達(dá)400 V（有效值）。
iCoupler 技術(shù)孕育出isoPower 集成式隔離電源
i Coupler 技術(shù)最激動人心的一項(xiàng)成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中。現(xiàn)在，利用與信號隔離所用的微變壓器相似的技術(shù)，可以跨越隔離柵輸送電源，從而為電池組中的數(shù)據(jù) 隔離器提供完全集成的遠(yuǎn)程供電解決方案。本地電源供給振蕩電路，它通過一個(gè)芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在 3.3 V 或 5 V。隔離端控制器 通過產(chǎn)生一個(gè)PWM 控制信號，對輸出進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，該控制信號經(jīng)由一個(gè)專用iCoupler 數(shù)據(jù)通道送回本地端。 PWM控制信號調(diào)制振蕩器電路，以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以明顯提高功率和功效比。
ADuM540xW 是4 通道數(shù)字隔離器，內(nèi)置isoPower®集成式隔離DC-DC 轉(zhuǎn)換器；輸入電源為5.0 V 或3.3 V 時(shí)，可提供最高500 mW的穩(wěn)壓隔離功率。與標(biāo)準(zhǔn)iCoupler 器件一樣，它可提供多種不同的通道配置和數(shù)據(jù)速率。由于isoPower 器件利用高頻開關(guān)元件通過其變壓器輸電，因此進(jìn)行 PCB 布局時(shí)必須特別小心，確保符合電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)電路板布局考量因素 的詳細(xì)信息，請參考應(yīng)用筆記 AN-0971 ：" isoPower器件的輻射控制建議"。ADuM540x 系列目前正在進(jìn)行 AEC-Q100 認(rèn)證。
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