運輸應(yīng)用中高壓電池監(jiān)控中的隔離

由電池供電電動機驅(qū)動的車輪汽車，連續(xù)或間歇性地成為一個熱門話題。這些“綠色”車輛依靠串聯(lián)電池的電池來獲得足夠高的電壓來有效地運行電機。這種高壓（HV）堆棧用于全電動汽車（EV）以及混合動力電動汽車（HEV），后者依靠內(nèi)燃機（ICE）進行充電和（在許多情況下）共享推進。電動汽車必須插入電源進行充電;一些較新的混合動力車被設(shè)計為插電式混合動力電動汽車（PHEV），它們被認(rèn)為是本質(zhì)上是帶有內(nèi)燃機以延長里程的電動汽車。

高壓電堆已經(jīng)用于運輸行業(yè)以外的許多行業(yè)和應(yīng)用——通常用于不間斷電源 （UPS） 中，以直流形式存儲來自電網(wǎng)的能量;作為 48V 通信設(shè)備中的應(yīng)急直流電源;作為起重機和升降系統(tǒng)中的應(yīng)急用品;在風(fēng)力渦輪機中，用于在緊急情況下羽化葉片。雖然我們在這里討論電池組在車輛中的使用，但基本問題是所有類型的電池組的共同問題。

用于運輸?shù)碾姵亟M通常涉及 100 個或更多電池，提供數(shù)百伏的電壓。由于人們普遍認(rèn)為超過50 V或60 V對人類來說是致命的，甚至更低的電壓也會損壞電子設(shè)備 - 考慮到使用某些類型的電化學(xué)反應(yīng)的電池的穩(wěn)定性問題 - 安全性是一個關(guān)鍵問題。盡管這些電池組本質(zhì)上是危險的，但它們?nèi)员仨毰c通常位于電池外殼內(nèi)的電池監(jiān)控電子設(shè)備通信。因此，通信方法必須安全可靠。

在高壓堆棧中組織細胞

原始設(shè)備制造商通常指定將電池物理包裝到稱為包裝的外殼中，這些外殼通常包含 6 到 24 個串聯(lián)電池。包含大量電池的包裝在物理上更大，更笨拙地適合典型的車輛空間。與電池相關(guān)的單元監(jiān)測集成電路在物理上靠近被監(jiān)測單元，并由單元本身供電。是否有必要監(jiān)測每個電池的電壓取決于電池的化學(xué)性質(zhì)。例如，基于鎳氫（NiMH）化學(xué)性質(zhì)的高壓堆棧的行為已經(jīng)非常容易理解，并且通常不會努力測量單個電池電壓;測量特定電池組中所有電池的總電壓就足夠了。然而，對于基于鋰離子（Li-Ion）化學(xué)成分的電池組，有必要監(jiān)測每個電池的電壓，以檢測串中任何單個電池的過壓或欠壓情況。通常不需要測量每個鋰離子電池的溫度，但應(yīng)該有這樣做的設(shè)施。因此，用于監(jiān)測NiMH堆棧的電子設(shè)備比用于鋰離子電池堆棧的電子設(shè)備簡單得多。圖 1 顯示了構(gòu)建和監(jiān)控高壓堆棧的常用方法。

單元監(jiān)視器 IC 通常處理 6 或 12 個單元。目前，ADI公司提供兩款用于電池監(jiān)控的專用（ASSP）產(chǎn)品：AD7280用作主監(jiān)視器，基于高速多路復(fù)用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;另一個用作備份或冗余監(jiān)視器的器件基于一系列窗口比較器。深入討論這些產(chǎn)品超出了本文的范圍，但值得注意的是，此類設(shè)備如何在堆棧配置中進行通信。每個單元為來自其上方的測量輸入建立共模電平。菊花鏈接口允許堆棧中的每個AD7280直接與其上方或下方的下一個AD7280通信（從而在堆棧上或下傳遞數(shù)字信息），而無需隔離。最底部的AD7280的SPI接口用于與系統(tǒng)微控制器交換整個堆棧的數(shù)據(jù)和控制信號。此時，必須采用高壓電流隔離來保護系統(tǒng)中其他位置的低壓電子設(shè)備。

圖1.電池組中的串行電池監(jiān)控和隔離。

在圖1中，串聯(lián)電池串的中間放置了一個開關(guān)或接觸器。通常，無論車輛處于正常運行狀態(tài)還是停車，此開關(guān)始終關(guān)閉。對于車輛維護或緊急情況，開關(guān)被物理拉出或從其位置移除，以禁止堆棧電壓出現(xiàn)在堆棧端子上。為了不影響開路開關(guān)提供的隔離，重要的是不要有任何電子元件橋接開關(guān)端子。因此，堆棧的上半部分應(yīng)在開關(guān)打開的情況下與下半部分電氣隔離。這意味著來自堆棧上半部分的單元數(shù)據(jù)必須通過其最底部的單元監(jiān)視器跨越隔離柵傳送到管理進出整個堆棧的數(shù)據(jù)流的微處理器或微控制器。同樣，堆棧的下半部分也必須與該微處理器或微控制器隔離，因此它具有與上半部分相同的隔離柵。

除了電池監(jiān)測器外，電流監(jiān)測器還位于電池組中的某個位置，用于測量和報告電池組電流。該顯示器通常放置在堆棧的底部;還需要考慮將其隔離?；魻栃?yīng)電流傳感器具有固有的電流隔離，無需進一步的隔離電路。但是，如果電流傳感器使用分流元件，則相關(guān)的分流監(jiān)控電路將需要單獨的隔離柵。使用分流器的電流檢測正變得非常流行;它比霍爾效應(yīng)傳感更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確，但價格更具競爭力。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AD820x和AD821x系列符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的分流監(jiān)控器，迄今為止已向汽車插座出貨超過1億個通道，可最大限度地減少自發(fā)熱，這是對這種方法的傳統(tǒng)反對意見。因此，圖1中的系統(tǒng)需要三個獨立的隔離柵，除非電流檢測監(jiān)視器可以饋入最底部的單元監(jiān)視器，共享其隔離柵。

在電池組中組織電池的另一種流行方法是將電池組分組到一系列電氣上獨立的簇中（圖 2）。每個集群的最底部監(jiān)視器通過專用隔離柵將本地小區(qū)條件傳送回非隔離側(cè)的微控制器。

圖2.可并行訪問電池組的電池組。

數(shù)字隔離器使用的增加使得這種方法比圖1所示的系統(tǒng)更昂貴，但它提供了在更短的時間內(nèi)回讀所有小區(qū)數(shù)據(jù)的可能性，同時要求所有小區(qū)簇報告小區(qū)監(jiān)測器在電池組中看到的內(nèi)容。另一個重要的好處是，它允許在菊花鏈出現(xiàn)問題（例如斷線或連接器觸點不良）的情況下繼續(xù)進行備份監(jiān)控。來自“無線”電池組的數(shù)據(jù)仍可以通過將剩余電池組電壓與總電池組電壓相關(guān)聯(lián)來確定。

它確實需要更多的布線，這可能會有問題，因為高達75%的電磁兼容性（EMC）問題被認(rèn)為與輸入/輸出（I / O）端口有關(guān)。I/O 端口是一個開放的網(wǎng)關(guān)，用于靜電放電或快速瞬態(tài)放電或浪涌進入設(shè)備，以及通過 I/O 線路上的雜散信號傳導(dǎo)或 I/O 電纜輻射逃逸的干擾信號。向電池組添加更多電纜會顯著降低其EMC性能，除非仔細注意信號的魯棒性和所選的通信協(xié)議。因此，連接到端口的I / O設(shè)備的EMC性能對于整個設(shè)備的EMC至關(guān)重要。

流行的SPI通信協(xié)議適用于同一印刷電路板（PCB）上的設(shè)備之間的通信;但是，單端信號很難在 24 到 36 英寸的電線上可靠傳輸，尤其是在嘈雜的環(huán)境中。如果要在板外傳輸數(shù)字信號，謹(jǐn)慎的系統(tǒng)設(shè)計可能包括差分收發(fā)器，例如ADM485。這些收發(fā)器可由低側(cè)電源供電，因此不會直接從電池組中的單元獲取電源。

隔離技術(shù)是堆棧通信的關(guān)鍵

為了使電池組電壓變得更高，以滿足較重的私家車以及輕型送貨卡車和貨車中更高功率電動機的需求，電池組中的電池數(shù)量必須增加。除了增加串聯(lián)電池的數(shù)量外，許多電池組現(xiàn)在還包含并聯(lián)的電池串，以增加整個電池組的安培小時（AH）容量。必須監(jiān)視每個并行字符串的單元格，從而導(dǎo)致收集大量數(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)路時間要求范圍內(nèi)可靠地傳輸回電池測量系統(tǒng)（BMS）微控制器。

因此，與跨系統(tǒng)到系統(tǒng)邊界提供可靠數(shù)據(jù)通信相關(guān)的困難也有所增加。在典型電池組內(nèi)跨越如此多的隔離邊界提供可靠通信的一個關(guān)鍵因素是符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的隔離技術(shù)，ADI公司現(xiàn)已提供該技術(shù)。該技術(shù)的基礎(chǔ)是磁隔離，變壓器采用經(jīng)濟高效的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝以平面方式制造（見圖3）。這有助于將多個隔離通道集成到單個元件中，或者將隔離通道與其他半導(dǎo)體功能集成，例如線路驅(qū)動器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（例如，隔離式Σ-Δ調(diào)制器AD7400）。

圖3.ADuM1402四通道隔離器的功能框圖

與光耦合器不同，這些i耦合器數(shù)字隔離器在車輛的使用壽命內(nèi)不會退化，可以適應(yīng)季節(jié)變化中經(jīng)常遇到的惡劣工作條件。表1中最近發(fā)布的器件系列（AEC-Q100認(rèn)證溫度為125°C）使用的材料與ADI系列i耦合器產(chǎn)品中的成熟器件相同，迄今已售出超過3億個隔離通道。表中的2通道、3通道和4通道數(shù)字隔離器系列的數(shù)據(jù)速率高達25 Mbps，傳播延遲低至32 ns。?

表 1.符合 AEC Q100 標(biāo)準(zhǔn)的 i耦合器隔離器。
對于所有電源，電源范圍為 3.5 至 5.5 V;最高溫度為125°C

平面變壓器本質(zhì)上是雙向的;因此，信號可以沿任一方向傳遞。在通道總數(shù)中，驅(qū)動通道和接收通道的所有可能組合都可用。例如，2通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或組合提供七種不同的通道配置（4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1），確保為所有情況提供優(yōu)化的解決方案。圖 4 總結(jié)了各種可用的配置。

圖4.ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置。

i耦合器技術(shù)的兩個最顯著的特點是能夠支持高數(shù)據(jù)速率和在低電源電流下工作。i耦合器通道消耗的電源電流很大程度上是其承載的數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。對于3 V工作電壓，在數(shù)據(jù)速率高達2 Mbps時，ADuM140xWS兩側(cè)和所有四個通道的總電源電流典型值為1.6 mA（最大值為4 mA）。 低功耗工作非常重要，因為在ADuM140xWS的隔離側(cè)或“熱”側(cè)，電源通過穩(wěn)壓器來自電池本身。監(jiān)視器也由相同的電壓源供電，因此監(jiān)視和通信電路的所有元件消耗的功率越少越好。所有隔離產(chǎn)品均采用小型、扁平、表面貼裝 8 引腳 SOIC_W 或 16 引腳 SOIC_W 封裝，并具有 UL、CSA 和 VDE 的安全認(rèn)證。它們具有高達 2.5 kV rms 的隔離額定值和高達 400 V rms 的工作電壓。

i耦合器技術(shù)催生 iso功率器件：集成式隔離式電源

i耦合器技術(shù)最令人興奮的發(fā)展之一是將電力傳輸和信號傳輸集成在同一封裝中。使用類似于信號隔離的微變壓器，現(xiàn)在可以跨隔離柵傳輸電力，從而實現(xiàn)完全集成的隔離，以便為電池組中的數(shù)據(jù)隔離器遠程供電。本地電源提供給振蕩電路，該電路切換通過芯片級空芯變壓器的電流。傳輸?shù)礁綦x側(cè)的功率經(jīng)過整流并調(diào)節(jié)至3.3 V或5 V。隔離側(cè)控制器通過創(chuàng)建PWM控制信號來提供輸出的反饋調(diào)節(jié)，該信號通過專用的i耦合器數(shù)據(jù)通道發(fā)送回本地側(cè)。PWM控制信號調(diào)制振蕩器電路，以控制發(fā)送到隔離側(cè)的功率。使用反饋可以顯著提高功率和效率。

ADuM540xW器件均為4通道數(shù)字隔離器，內(nèi)置一個isoPower集成式隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用5.0 V輸入電源或3.3 V電源供電，提供高達500 mW的穩(wěn)壓隔離電源。與標(biāo)準(zhǔn)i耦合器器件一樣，提供各種通道配置和數(shù)據(jù)速率。由于iso功率器件使用高頻開關(guān)元件通過其變壓器傳輸電力，因此在PCB布局過程中必須特別小心，以滿足輻射標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷