如何保護(hù)汽車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)換到油電混合動(dòng)力或全電力推動(dòng)汽車(chē)的過(guò)程中，為汽車(chē)使用的電路以及子系統(tǒng)帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)和其他高功率電力系統(tǒng)等都必須進(jìn)行隔離，使電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”，避免漏電流或高電壓到達(dá)低電壓系統(tǒng)以及汽車(chē)外殼。插入式電動(dòng)車(chē)車(chē)上的充電器在進(jìn)行夜間充電時(shí)會(huì)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(hù)就非常重要，目前汽車(chē)制造商正在尋求標(biāo)準(zhǔn)化的電池管理系統(tǒng)（BMS， Battery Management System）以便可以處里提供高達(dá)1000V的電池陣列。

　　為了達(dá)到必要等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，電池子系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧舜罅康碾姵貑卧⒏唠娏υ肼曇约柏?fù)載因進(jìn)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(shè)計(jì)上，對(duì)陣列中每個(gè)電池單元的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常重要，必須能夠使單一電池單元的故障不會(huì)造成整個(gè)陣列停止工作或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)形成過(guò)載。

　　電動(dòng)車(chē)中典型的電池陣列由多個(gè)電池模塊組成，每個(gè)模塊通常包含許多獨(dú)立的電池單元以及監(jiān)測(cè)模塊中電池單元的特殊電路，整個(gè)陣列可以提供數(shù)百伏特的電壓輸出，通常高于400V。監(jiān)測(cè)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(guò)串行外設(shè)接口（SPI， Serial Peripheral Interface）總線(xiàn)傳送到管理電池系統(tǒng)的微控制器（MCU），請(qǐng)參考圖1，接著微控制器透過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN， Controller Area Network）總線(xiàn)送出控制信號(hào)到汽車(chē)中的各個(gè)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(cè)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(duì)系統(tǒng)造成破壞，允許電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”，也就是和汽車(chē)車(chē)體無(wú)直接連接，另外，電流泄漏也因無(wú)汽車(chē)車(chē)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(gè)光電耦合器提供SPI總線(xiàn)和微控制器間以及微控制器和CAN總線(xiàn)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(jí)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(qǐng)參考圖2。舉例來(lái)說(shuō)，SPI接口通常以超過(guò)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(lái)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(hào)，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(gè)電池監(jiān)測(cè)電路上速度較快的SPI信號(hào)線(xiàn)路，如串行時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出等，請(qǐng)參考圖3。

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

　　ACPL-K49T是一個(gè)包含LED發(fā)射器、隔離屏障、光二極管接收器以及一個(gè)晶體管放大器，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的單通道光電耦合器，請(qǐng)參考圖3左方，這個(gè)器件可以處理高達(dá)20Kbits/s的數(shù)據(jù)率，提供VCM=1，500V時(shí)30kV/μs的高共模抑制（CMR， Common Mode RejecTIon）能力以及最低4mA的低LED驅(qū)動(dòng)電流，相反地，ACPL-M72T則具有更為復(fù)雜的接收器側(cè)結(jié)構(gòu)，將光二極管耦合到跨阻放大器以及一個(gè)電壓比較器的輸出驅(qū)動(dòng)電路以便可以更好的處理SPI總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)，請(qǐng)參考圖3中間，這個(gè)光電耦合器可以高達(dá)10Mbits/s的數(shù)據(jù)率工作，傳播延遲最大為100ns，并且耗電流也僅為4mA。