【应用】5KV数字隔离方案消除BMS变“炸药包”顾忌

时间： 2016-11-14 来源：世强

技术问答

纯电动或是混动汽车应用中的高压锂离子电池组管理中有很多挑战。充电与放电循环需要被监控，并且通常提供数百伏电压的电池组必须要出于安全考虑而做隔离。本文会讨论锂离子电池监控的需求，同时也分析了电池监控分系统，数字通讯分系统与隔离接口的架构与器件使用。

在管理系统中，电池监控板利用两个关键分系统来可靠地监视电池健康，并且将数字监测结果反馈给主机来安排系统操作。将这两个分系统拆开来看，信号接口在高压电池监测电路与板上通讯设备之间采用了光隔离，能够保证高压不会影响到数字分系统。

锂离子电池特性
复杂的电子系统需要满足电动汽车的性能、安全性与可靠性要求。这是基本是直接源于锂离子电池的特性的。在锂离子电池放电时，锂通常在石墨阳极被电离，然后锂离子在电解液中穿透隔离膜到阴极，形成充电流。充电过程则与此流向相反，将阴极的锂离子通过隔离膜带到阳极。

上述化学过程的性能和可靠性取决于电池温度和电池电压。在低温情况下，化学反应变缓，会降低电池电压。当温度上升时，化学反应情况逐渐加强，直到锂离子电池的器件开始损坏。在高于100℃的情况下，电解液开始变质，在没有采取压力释放机制的情况下，会释放出气体，导致电池内部压力骤升。当温度足够高的情况下，锂离子电池内部的氧化物开始分解，释放出氧气，会进一步加速升温，最终导致热逸溃。

因此，为锂离子电池保持一个最优化的运行环境是电池管理系统的最至关重要的需求。设计（电池）控制/管理系统最大的挑战是保证可靠数据采集与分析来监控与控制汽车中的锂离子电池的状态-这个问题会被锂离子电池自身的特性恶化。

在电动汽车，如雪弗兰，电池组包含288个菱形锂离子电池，这些电池又会被分成96个小电池组，它们连接起来为系统提供386.6V的直流电。这些小电池组，依次会和温度传感器与冷却装置组合到四个主电池模组中。附在每个小电池组上的电压监测线止于每个电池模组的顶部，同时电压监测线束接入位于电池模组上方电池接口。此处四色编码的电池接口模块会按照低/中/高直流电压偏置值范围在电池组的不同位置运行。

来自电池接口模块的数据会向上传递到电池能源控制模块。反过来，这些模块会将故障信息，状态和诊断信息传送给混动机车控制模块，这种模块充当汽车级诊断的主控制器。任何时刻，整个系统每十秒运行超过500个诊断。85%的这些诊断信息关注电池包的安全，其它电池目标性能和寿命。

信号隔离
在电动汽车中，通讯和控制是汽车工作的基础，如雪弗兰，多个网络隔离并包含每个独立的子系统。在特殊的电池接口控制模块中，通过复杂的算法来管理每个传感子系统中独立的锂离子电池组，并进行监控。然而，最后需要用于总体电池管理的关键数据包含在CAN总线信号接口和高压故障信号中。同时，系统的安全可靠性取决于CAN总线网络与高压感应电路侧的安全隔离。尽管可以通过很多种方法或是器件来实现隔离，复杂的环境和多种安全规范使得管够成为这样应用场合中的首选方案。

光耦能够提供高共模噪声抑制，并基本免疫与汽车电噪声相关的EMC与EMI问题。此外，这样的产品能够提供高水平的隔离，而这正是长期面对来自电池包的直流电压压力，以及在充电连接/断开和DC/DC转换测试过程中的快速瞬态高压的最至关重要的优点。

在选取这样的关键器件时，汽车应用的首要关注点是合适的封装与工作（隔离）电压特性。尽管诸如速度，速率和功耗等性能指标依然重要，出于对快速开关以及高瞬态电流导致的EMI问题的担忧，我们不倾向于使用高速产品，反而会增加对可以灵活调整转换速率从而进一步降低EMI问题的产品的需求。

为了满足汽车环境中苛刻的性能需求，美国芯科（SILICON LABS）推出了多种隔离方案，从电池包电压检测，提供数据通讯接口隔离，到其他功能应用的产品。例如用于电池包电压检测的Si8920、用于数字隔离的Si86xx系列。

汽车级数字隔离器
Si86xx 5kV数字隔离器可以完全替代需要安全操作和高级绝缘保护应用中的光耦合器，具有5kV的隔离等级。基于Silicon Labs公司专利数字隔离技术适用于CAN总线、SPI总线和I2C总线双向隔离器等，这些高隔离等级可以延长苛刻应用环境中的产品寿命。Si86xx无可比拟的隔离通道数减少BOM成本和电路板面积。该产品具有-40ºC至125ºC全温度范围，通过AEC-Q100汽车等级认证，而且可以达到最快的150Mbps数据传输率。例如Si861x/2x提供数据的单向传输能力非常适合can总线隔离。Si860x提供数据的双向传输能力非常适合I2C隔离。这里以Si861x/2x进行说明。

图1：Si861x/2x数据传输方向与管脚定义

Si861x/2x的产品特点：
• DC速度可以达到150 Mbps
• 2.5–5.5 V宽范围供电电压
• 无需启动初始化
• 5000 VRMS 隔离
• 符合10kV增强绝缘认证VDE0884-10
• 额定工作电压下可以达到60年寿命
• 高抗电磁干扰能力
• 超低电源功耗
• 施密特触发器输入
• 可选择的故障安全模式
• 默认高低电平输出可选
• 延时时间短
• 共模抑制比可以达到 50 kV/µs
• 通过AEC-Q100 汽车等级认证
• –40°C to 125 °C宽温度范围
• 符合 RoHS
• SOIC-16 宽体
• SOIC-8 窄体

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应用方案发布时间 : 2022-12-08

数字隔离器选型：速度高达150M的Silicon Labs数字隔离器，成熟应用于新能源汽车，医疗，工业控制等领域

Silicon Labs数字隔离器产品具有低功耗，最多可达8通道，提供良好的电磁兼容性，有效避免外部电磁干扰，全系产品均过AEC-Q100车规级认证，常年备库存，价格便宜20%。世强是Silicon Labs数字隔离器代理商，可提供Silicon Labs数字隔离器新产品新技术、技术资料、Silicon Labs数字隔离器选型，Silicon Labs数字隔离器供应等服务。

原厂动态发布时间 : 2018-06-11