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

　　在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測電路板運(yùn)用兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)來可靠監(jiān)測電池狀態(tài)并提供數(shù)字化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運(yùn)作的主控處理器，為了分離這些子系統(tǒng)，在高電壓電池感應(yīng)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(shù)字子系統(tǒng)。

　　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(fù)雜電子系統(tǒng)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(shí)，鋰材料通常在石墨陽極進(jìn)行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動通過分離器到達(dá)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(xué)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(shí)，化學(xué)反應(yīng)較慢，使得電池單元的電壓較低，隨著溫度升高，反應(yīng)速度會提高直到鋰離子單元開始崩潰，當(dāng)溫度超過100°C時(shí)，電解質(zhì)開始分解，釋放出可能造成在設(shè)計(jì)上無泄壓機(jī)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(jìn)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(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，設(shè)計(jì)控制和管理系統(tǒng)時(shí)的主要挑戰(zhàn)在于確保可靠的數(shù)據(jù)采集和分析，以便用來監(jiān)控汽車中鋰離子電池的狀態(tài)，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(tǒng)電壓，這些電池群結(jié)合溫度感應(yīng)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(yīng)線路在連接到每個電池模塊上方時(shí)進(jìn)行終端處理，并通過電壓感應(yīng)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(biāo)示的電池接口模塊在電池組的不同位置運(yùn)作，分別對應(yīng)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(shù)據(jù)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(tài)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(shí)間，整個系統(tǒng)每秒會運(yùn)行超過5000次的系統(tǒng)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(biāo)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(shè)計(jì)上特別面向高信號完整性，采用四層設(shè)計(jì)的電路板使用了走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合來協(xié)助確保如此深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號完整性，其中最上層包含大多數(shù)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(qū)下方，第三層包含了通過這些區(qū)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。

　　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(yīng)電路和CAN通信電路，并通過通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進(jìn)行隔離。（UBMTechInsights授權(quán)提供）

　　［圖說］

　　SensingCircuit=感應(yīng)電路

　　Optocouplers=光電耦合器

　　BatterySensor=電池傳感器

　　CommunicaTIonInterface=通信接口