交通運輸應(yīng)用中高壓電池監(jiān)控的隔離

　電動汽車逐漸成為近年來的一個熱門話題。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。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(ICE)充電，而且在許多情況下，內(nèi)燃機也會提供動力。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：AD7280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，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數(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，電池組中還有一個電流監(jiān)控器，用來測量并報告電池組的電流。該監(jiān)控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離。霍爾效應(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)需要三個獨立的隔離柵。

　　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立的電池群組(圖2)。每個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