如何保護汽車電池系統(tǒng)免于瞬變、短路和其他故障影響？

　　由于瞬變、極致溫度環(huán)境以及其他因素，在從使用汽油燃料的汽車轉(zhuǎn)換到油電混合動力或全電力推動汽車的過程中，為汽車使用的電路以及子系統(tǒng)帶來了許多設計上的挑戰(zhàn)。高電壓電池陣列以及連接到各種不同子系統(tǒng)，例如傳動系統(tǒng)和其他高功率電力系統(tǒng)等都必須進行隔離，使電池系統(tǒng)處于“浮動狀態(tài)”，避免漏電流或高電壓到達低電壓系統(tǒng)以及汽車外殼。插入式電動車車上的充電器在進行夜間充電時會接收240V的高市電電壓并吸取高電流，因此能夠抵抗瞬間變化的高電壓保護就非常重要，目前汽車制造商正在尋求標準化的電池管理系統(tǒng)（BMS， Battery Management System）以便可以處里提供高達1000V的電池陣列。

　　為了達到必要等級的隔離，光電隔離器已經(jīng)成為提供高電隔離和高抗噪能力，并且消耗相較于使用變壓器耦合提供隔離功能更低電力的產(chǎn)業(yè)標準，電池子系統(tǒng)因為使用了大量的電池單元、高電力噪聲以及負載因進行電池充電電流產(chǎn)生的大幅度瞬變而變得特別困難。另外，在電池陣列本身和充電子系統(tǒng)的設計上，對陣列中每個電池單元的電壓進行監(jiān)測非常重要，必須能夠使單一電池單元的故障不會造成整個陣列停止工作或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)形成過載。

　　電動車中典型的電池陣列由多個電池模塊組成，每個模塊通常包含許多獨立的電池單元以及監(jiān)測模塊中電池單元的特殊電路，整個陣列可以提供數(shù)百伏特的電壓輸出，通常高于400V。監(jiān)測電路取得電池電壓以及其他參數(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化并通過串行外設接口（SPI， Serial Peripheral Interface）總線傳送到管理電池系統(tǒng)的微控制器（MCU），請參考圖1，接著微控制器透過控制器局域網(wǎng)絡（CAN， Controller Area Network）總線送出控制信號到汽車中的各個子系統(tǒng)。

　　為了隔離電池子系統(tǒng)和微控制器，使用光電隔離器接收電池單元監(jiān)測電路SPI輸出送出的串行數(shù)據(jù)并提供物理屏障，主要借助于LED發(fā)射器和光敏接受器的分隔，數(shù)百伏特的隔離可以避免瞬變、電力噪聲以及其他因素對系統(tǒng)造成破壞，允許電池系統(tǒng)處于“浮動狀態(tài)”，也就是和汽車車體無直接連接，另外，電流泄漏也因無汽車車體的連接因而可以降到最低。

　　圖1：典型的電池管理子系統(tǒng)需要多個光電耦合器提供SPI總線和微控制器間以及微控制器和CAN總線間的隔離。

　　電池子系統(tǒng)中使用了不同型式的光電耦合器提供不同等級的電壓隔離和性能以符合系統(tǒng)中不同部分的性能要求，請參考圖2。舉例來說，SPI接口通常以超過1MHz的數(shù)據(jù)率工作，并且需要處于-40°C到+125°C的工作溫度范圍，這些要求就帶來了如ACPL-K49T和其他相似光電耦合器的使用以隔離低速片選信號，而如ACPL-M72T或其他相似產(chǎn)品等較高速光電耦合器則可以作為每個電池監(jiān)測電路上速度較快的SPI信號線路，如串行時鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出等，請參考圖3。

　　圖2 電池監(jiān)測電路上SPI連接端口的4個信號使用光電隔離器以確保不會有高電壓脈沖由電池陣列穿越到低電壓微控制器。