目前在全電動或混合動力汽車應用中，高電壓鋰離子電池組的管理面臨許多挑戰(zhàn)，除了必須監(jiān)控充電和放電循環(huán)外，基于安全考量，也需要對提供數(shù)百伏電壓的電池組進行隔離，本文特別面向鋰離子電池監(jiān)測需求進行討論，并探討電池監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及隔離接口使用的架構(gòu)和零組件。

　　在管理系統(tǒng)中，電池監(jiān)測電路板運用兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)來可靠監(jiān)測電池狀態(tài)并提供數(shù)字化結(jié)果給掌管控制系統(tǒng)運作的主控處理器，為了分離這些子系統(tǒng)，在高電壓電池感應電路和電路板的通信器件間采用光隔離信號接口，以確保高電壓不會影響數(shù)字子系統(tǒng)。

　　鋰離子電池特性

　　必須符合電動車在性能、安全以及可靠性要求的復雜電子系統(tǒng)及本上直接受到鋰離子電池特性的影響，鋰離子電池放電時，鋰材料通常在石墨陽極進行離子化，接著這些鋰離子藉由電解質(zhì)移動通過分離器到達陰極造成電荷流動，充電過程則是把整個程序反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。

　　這個化學反能程序的性能和可靠性由電池單元的溫度和電壓控制，在較低溫度時，化學反應較慢，使得電池單元的電壓較低，隨著溫度升高，反應速度會提高直到鋰離子單元開始崩潰，當溫度超過100°C時，電解質(zhì)開始分解，釋放出可能造成在設(shè)計上無泄壓機制電池單元壓力的氣體，在夠高的溫度下，鋰離子電池單元可能會因氧化物分解面臨熱失控釋放出氧氣，進一步加速溫度的升高。

　　因此，保持鋰離子電池的最佳操作條件是電池管理系統(tǒng)的一項關(guān)鍵要求，設(shè)計控制和管理系統(tǒng)時的主要挑戰(zhàn)在于確?？煽康臄?shù)據(jù)采集和分析，以便用來監(jiān)控汽車中鋰離子電池的狀態(tài)，而這正是鋰離子電池本身的特性問題。

　　在ChevyVolt電動車中，電池組包含了288個棱柱形鋰離子電池，分為96個電池群，通過連接提供386.6V的直流系統(tǒng)電壓，這些電池群結(jié)合溫度感應器和冷卻單元形成四個主電池模塊，連接到每個電池群的電壓感應線路在連接到每個電池模塊上方時進行終端處理，并通過電壓感應束帶組合連接器連接到每個電池模塊上方的電池接口模塊上，4個采用色彩標示的電池接口模塊在電池組的不同位置運作，分別對應4個模塊直流電壓偏位的低、中和高電壓范圍。

　　電池接口模塊提供的數(shù)據(jù)會送到電池能量控制模塊中，接著這個模塊會將故障情況、狀態(tài)和診斷信息提供給作為車輛診斷主控制器的混合動力控制模塊，在任何時間，整個系統(tǒng)每秒會運行超過5000次的系統(tǒng)診斷，其中85%的診斷聚焦于電池組的安全性，其他則作為目標電池性能和壽命控制。

　　多層電路板

　　電池性能分析開始于如ChevyVolt電動車中使用的電池接口控制模塊，請參考圖1，設(shè)計上特別面向高信號完整性，采用四層設(shè)計的電路板使用了走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合來協(xié)助確保如此深具挑戰(zhàn)性環(huán)境中的信號完整性，其中最上層包含大多數(shù)零組件，包括光隔離器、接地平面和帶有多個通孔的信號走線，提供通往下層的連接路徑，第二層則使用電源和接地平面分布于電路板的高電壓區(qū)下方，第三層包含了通過這些區(qū)域下方的信號走線，印刷電路板的另一面，也就是第四層就作為接地平面和信號走線，并包含部分額外的零組件。

　　圖1：ChevyVolt電動車中四個電池接口控制模塊電路板的每一個都包含多個感應電路和CAN通信電路，并通過通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進行隔離。（UBMTechInsights授權(quán)提供）

　　［圖說］

　　SensingCircuit=感應電路

　　Optocouplers=光電耦合器

　　BatterySensor=電池傳感器

　　CommunicaTIonInterface=通信接口