交通运输应用中高压电池监控的隔离

电动汽车逐渐成为近年来的一个热门话题。这种绿色汽车依靠串联电池组来获得足够高的电压，从而有效驱动电机。全电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)均采用这种高压(HV)电池组。HEV依靠内燃机(ICE)充电，而且在许多情况下，内燃机也会供应动力。EV则必须插入电源中充电，有些新型混合动力设计称为插电式混合动力汽车(pHEV)，它基本上可视为一种EV，但配有内燃机以延长行驶里程。

高压电池组已广泛用于许多工业和交通运输业以外的领域，通常可用作：以直流形式储存输电网电能的不间断电源(UpS);48-V通信设备中的应急直流电源;起重机和电梯系统中的应急电源;以及紧急情况下驱动风力涡轮机的叶片。虽然本文讨论汽车中电池组的使用，但一些根本问题在所有类型电池组中都会存在。

交通运输应用中的电池组一般含有100块甚至更多的电池，可供应数百伏电压。一般公认50V或60V以上的电压可以致命，而可能导致电子设备损坏的电压则更低(考虑利用某些类型电化学反应的电池稳定性)，因此安全问题至关重要。虽然这些电池组本身具有危险性，但仍然必须与电池壳内的电池监控电子设备通信。因此，通信方式必须安全可靠。

高压电池组中的电池结构

原始设备制造商一般要求将电池装到保护壳中，称为电池包，通常含有6到24块串联电池。含有较多电池的电池包体积更大，也不易放入典型的汽车空间中。相关的电池监控集成电路靠近受监控的电池，并由电池本身供电。是否有必要监控各电池的电压，取决于电池的化学原理。例如，我们非常了解基于镍氢(NiMH)化学原理的高压电池组性能，因此一般无需测量各电池电压，只需测量特定电池包内所有电池的总电压即可。而基于锂离子(Li-Ion)化学原理的电池组，则必需监控各电池的电压，以便检测电池串中的任一电池有无发生过压或欠压情况。一般不必测量各锂离子电池的温度，但应供应相关测量功能。因此，镍氢电池组的监控电子设备比锂离子电池组的监控电子设备简单得多。图1显示一种构建和监控高压电池组的常用方法。

电池监控器IC通常处理6块或12块电池。目前，ADI公司供应两种专用特殊用途(ASSp)产品用于电池监控：AD7280基于高速多路复用12位模数转换器，重要用作主监控器;另一种器件基于一系列窗口比较器，用作备用或冗余监控器。本文不会深入讨论这些产品，但仍需说明这些器件在电池组配置中如何通信。每个电池为上方电池的测量输入确立共模电平。菊花链接口允许电池组的各AD7280直接与其上或其下的AD7280通信(从而沿着堆叠上下传递数字信息)，而无需隔离。最底部AD7280的SpI接口用来与系统微控制器交换整个电池组的数据和控制信号。此处必须采用高压电流隔离，以保护系统中的其它低压电子器件。

图1.电池组中的串联电池监控和隔离

图1中，串联电池串的中间有一个开关或接触器。一般情况下，无论汽车正常行驶还是停车，该开关始终闭合。车辆维修时或紧急情况下，需将该开关拉开或离开所在位置，禁止电池组端电极出现电池组电压。为了不影响开关断开所供应的隔离性能，必须确保没有任何电子器件桥接开关端子。因此，开关断开时，电池组的上半部分应与下半部分应保持电气隔离。这意味着，电池组上半部分的电池数据必须通过其最底部的电池监控器通信，跨过隔离栅，传输至管理整个电池组数据流入流出的微处理器或微控制器。类似地，电池组下半部分也必须与此微处理器或微控制器隔离，因此也有与上半部分相同的隔离栅。

除电池监控器外，电池组中还有一个电流监控器，用来测量并报告电池组的电流。该监控器一般放在电池组底部，也要考虑隔离。霍尔效应电流传感器本身具有电流隔离功能，无需再配置隔离电路。不过，假如该电流传感器采用分流元件，则相关的分流监控电路要单独的隔离栅。使用分流方法检测电流越来越受欢迎，它比霍尔效应检测更稳定、更精确，而且价格也更加有竞争力。使用低值分流电阻和低成本、高分辨率监控电子器件(例如通过AEC-Q100认证的AD820x和AD821x系列分流监控器，至今针对汽车插座的出货量已超过1亿片)，可以将自发热降至极小，使这种方法的传统弊端不复存在。因此，除非电流检测监控器能够接入最底部的电池监控器，共用其隔离栅，否则图1中的系统要三个独立的隔离栅。

另一种颇受欢迎的构建电池组方法是将电池包分为一系列电气独立的电池群组(图2)。每个电池群组最底部的监控器跨过专用隔离栅，将本地电池状况回传给非隔离端的微控制器。

图2.并行接入电池包的电池组