在雪佛蘭Volt轎車(chē)的中心有一個(gè)復(fù)雜的電源組管理系統(tǒng)，用于確保給Volt傳動(dòng)系統(tǒng)提供電源的多單元鋰離子電池組的安全性和可靠性。這個(gè)管理系統(tǒng)內(nèi)的電池監(jiān)視板使用了兩個(gè)關(guān)鍵的子系統(tǒng)來(lái)可靠地監(jiān)視電池健康狀況，并向主處理器提供數(shù)字結(jié)果，然后由主處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整體操作。將這兩個(gè)子系統(tǒng)分開(kāi)來(lái)可以看到一個(gè)信號(hào)接口，它能確保高壓電池檢測(cè)電路和板載通信器件之間有良好的隔離。

在這份拆解報(bào)告中，我們回顧了與汽車(chē)應(yīng)用中的高壓鋰離子電池組管理有關(guān)的挑戰(zhàn)，并討論了雪佛蘭Volt電池組管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如何能滿(mǎn)足這些挑戰(zhàn)要求。特別是，我們討論了鋰離子電池監(jiān)視方面的要求，重點(diǎn)放在電池監(jiān)視子系統(tǒng)、數(shù)字通信子系統(tǒng)和隔離接口中使用的架構(gòu)和元件。我們還詳細(xì)審視了為這個(gè)設(shè)計(jì)選用的部件，包括定制ASIC、飛思卡爾的S9S08DZ32、安華高的ACpL-M43T和英飛凌的TLE6250G。最后，我們討論了這種針對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型電池組管理提出的特定解決方案的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)可以滿(mǎn)足類(lèi)似設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的可能替代方案進(jìn)行了權(quán)衡考慮。

為了提供汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中隔離作用的更多信息，我們還提供了三個(gè)系列深度視頻采訪(fǎng)報(bào)道。

第1部分：介紹汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中隔離的作用；

第2部分：討論為這些應(yīng)用選擇器件時(shí)的一些考慮因素；

第3部分：探討雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)中隔離器件的使用電動(dòng)汽車(chē)挑戰(zhàn)

雪佛蘭Volt是第一批生產(chǎn)的電池動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(EV)，僅靠電池可以行駛近40英里。當(dāng)電池電量接近低位極限時(shí)，可以啟動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生額外電能，進(jìn)而將汽車(chē)行駛距離擴(kuò)大到幾百英里。在Volt轎車(chē)的中心有一個(gè)鋰離子電池組，長(zhǎng)度為1.8米，重181公斤，可以產(chǎn)生16kWh的功率，足以啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、給乘用設(shè)備供電，并給復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)供電。這種管理系統(tǒng)的復(fù)雜性與飛行系統(tǒng)相當(dāng)。

IBM高級(jí)副總裁RobertLeBlanc指出，Volt軟件內(nèi)容有1000萬(wàn)行代碼，超過(guò)了據(jù)說(shuō)飛行美國(guó)DODF-35閃電2型聯(lián)合特種飛機(jī)的750萬(wàn)行代碼——這個(gè)軟件規(guī)模本身就超過(guò)了目前噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)代碼規(guī)模的3倍，據(jù)美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室透露。雖然LeBlanc可能選取了一個(gè)爭(zhēng)議較少的系統(tǒng)進(jìn)行比較，但Volt確實(shí)引發(fā)了很多有關(guān)于自身的爭(zhēng)議。也許還沒(méi)有其它汽車(chē)得到過(guò)像Volt這樣的關(guān)注度。事實(shí)上，當(dāng)Volt測(cè)試車(chē)輛在停放數(shù)周后進(jìn)行的測(cè)試碰撞中發(fā)生起火，這個(gè)事件馬上會(huì)引起政府機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并引發(fā)通用汽車(chē)的回購(gòu)——即便在“實(shí)際碰撞事故”之后沒(méi)有發(fā)生與電池有關(guān)的起火問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家高速交通安全管理局表示。

最終Volt的成功依賴(lài)于公眾的接受程度——和它的功能。為了達(dá)到這個(gè)目的，在設(shè)計(jì)Volt時(shí)，通用汽車(chē)與IBM合作對(duì)Volt中的“系統(tǒng)之系統(tǒng)”性能進(jìn)行了仿真。通過(guò)使用關(guān)鍵系統(tǒng)的詳細(xì)模型，IBM軟件不僅驗(yàn)證了行為，甚至產(chǎn)生了Volt系統(tǒng)中使用的軟件代碼的關(guān)鍵部分。由于確保最佳鋰離子電池性能和壽命需要復(fù)雜的算法，所以這種代碼生成和系統(tǒng)建模的方法對(duì)確保Volt電池管理系統(tǒng)的性能而言至關(guān)重要；事實(shí)上，優(yōu)化這種電池的性能仍然是業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的研究課題。對(duì)于Volt來(lái)說(shuō)，確保電池性能可以使最終的多板設(shè)計(jì)(圖1)能夠?qū)⒍鄠€(gè)嵌入式系統(tǒng)的工作整合成單一完整系統(tǒng)，進(jìn)而滿(mǎn)足對(duì)Volt鋰離子電池組提出的行駛距離、安全性、性能和更長(zhǎng)壽命的要求。

圖1：雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)將所有功能劃分為用多塊pCB實(shí)現(xiàn)的多個(gè)子系統(tǒng)。這次拆解的重點(diǎn)是電池接口控制模塊——上圖從右數(shù)第2欄中的紅色、藍(lán)色和綠色電路板。(UBMTechInsights提供)

鋰離子電池特性

用于滿(mǎn)足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的復(fù)雜系統(tǒng)與鋰離子電池的特性直接相關(guān)。在鋰離子電池放電時(shí)，鋰在(典型的)石墨陽(yáng)極中發(fā)生電離，鋰離子進(jìn)入電解液并穿過(guò)隔離膜到達(dá)陰極，進(jìn)而產(chǎn)生電荷流動(dòng)。充電過(guò)程與之相反，鋰離子從陰極進(jìn)入電解液并穿過(guò)隔離膜流回陽(yáng)極。

這種化學(xué)過(guò)程的性能和可靠性取決于電池的溫度和電壓。在低溫環(huán)境下，化學(xué)反應(yīng)緩慢，因此會(huì)降低電池電壓。隨著溫度的上升，反應(yīng)速度會(huì)加快，直到鋰離子電池成份開(kāi)始分解。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，電解液開(kāi)始分解并釋放氣體，在沒(méi)有壓力釋放機(jī)制的電池內(nèi)將造成壓力的堆積。在足夠高溫度下，鋰離子電池可能發(fā)生熱失控，同時(shí)伴隨著氧化物的分解和氧氣的釋放，繼而進(jìn)一步加速溫度上升。

據(jù)此，使鋰離子電池保持在最佳工作狀態(tài)是Volt電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要求。Volt工程師的問(wèn)題是要確保可靠的數(shù)據(jù)收集和分析，以便正確地監(jiān)視和控制汽車(chē)中的鋰離子電池狀態(tài)——這個(gè)問(wèn)題由于鋰離子電池自身的特性而變得更加嚴(yán)重。

我們的鋰離子電池技術(shù)有個(gè)特點(diǎn)，即在給定的溫度和輸出電流值條件下，鋰離子電池能夠在其容量范圍的中段保持近似平坦的電壓輸出(圖2)。雖然這個(gè)特性提高了鋰離子電池作為一種能源的優(yōu)勢(shì)，但也使工程師試圖使用簡(jiǎn)單的電池電壓測(cè)量方法向用戶(hù)提供保持電池電量或荷電狀態(tài)(SOC)的手段變得復(fù)雜起來(lái)。對(duì)于Volt汽車(chē)司機(jī)來(lái)說(shuō)，精確地SOC測(cè)量是準(zhǔn)確估計(jì)汽車(chē)剩余可行駛里程的關(guān)鍵。事實(shí)上，在新興的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中，“里程焦慮”是阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及和銷(xiāo)量攀升的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此精確描述SOC非常重要。

圖2：在給定溫度和放電電流值條件下，像松下CGR18650CG這樣的鋰離子電池在放電范圍的中間部分具有接近平坦的輸出電壓。這對(duì)能源來(lái)說(shuō)是一種優(yōu)勢(shì)，但對(duì)需要精確測(cè)量荷電狀態(tài)(SOC)的工程師來(lái)說(shuō)增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

此外，將SOC保持在特定范圍內(nèi)對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命而言也很重要。電池的荷電狀態(tài)太低或太高都將比保持在中間值更快地發(fā)生性能劣化，而中間這個(gè)特定范圍一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的。如果允許完全放電，鋰離子電池成分性能將開(kāi)始惡化，并導(dǎo)致永久損壞。如果允許將鋰離子電池充電到推薦的上限電壓之上，電池可能會(huì)發(fā)生過(guò)熱，或造成結(jié)構(gòu)的永久變形。

在Volt中，通用汽車(chē)公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根據(jù)駕駛模式進(jìn)行調(diào)整。在正常駕駛模式下可以將下限設(shè)置為30%SOC，在“山地駕駛”模式下，可以將下限設(shè)為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長(zhǎng)行駛時(shí)間。當(dāng)Volt達(dá)到合適的SOC下限時(shí)，汽車(chē)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將被啟動(dòng)，從而延長(zhǎng)行駛距離。

估計(jì)荷電狀態(tài)

由于對(duì)鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測(cè)量不是很可靠，工程師只能進(jìn)行SOC估計(jì)，一般采用基于電流或基于電壓的方法進(jìn)行。

基于電流的方法可以提供最精確的結(jié)果。這樣的方法會(huì)跟蹤荷電的變化，實(shí)質(zhì)上是計(jì)算充電過(guò)程中增加到電池的庫(kù)侖數(shù)或在放電周期中減去的庫(kù)侖數(shù)，然后判斷相對(duì)于滿(mǎn)充狀態(tài)電池的SOC。然而，自放電損失或電池本身的低效有可能使“庫(kù)侖計(jì)數(shù)”方法出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外，因?yàn)檫B續(xù)監(jiān)視對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)不切實(shí)際，因此庫(kù)侖計(jì)數(shù)法需要使用采樣方法。在汽車(chē)應(yīng)用中，這種方法必須足夠快，并能自動(dòng)跟蹤與加速有關(guān)的快速放電以及與再生制動(dòng)有關(guān)的快速充電。

基于電壓的方法將電池的瞬態(tài)電壓輸出作為進(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ)來(lái)估算SOC，它考慮了電池溫度、老化、電流輸出和放電速率等變化因素。當(dāng)與單節(jié)鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數(shù)據(jù)一起使用時(shí)，電壓法可以提供精確的SOC估計(jì)結(jié)果。對(duì)于像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車(chē)來(lái)說(shuō)，維護(hù)過(guò)程需要精確的電池表征，并需要提供特定的工具和程序，使電池管理系統(tǒng)能學(xué)習(xí)新電池模塊的容量——或在必要時(shí)重新學(xué)習(xí)電池容量。

鋰離子電池的化學(xué)物質(zhì)

鋰離子電池包含多種化學(xué)物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標(biāo)稱(chēng)電池電壓方面具有不同的特性。LGChem公司為Volt制造的電池使用了本公司的錳尖晶石陰極鋰離子化學(xué)物質(zhì)以及專(zhuān)有的安全加強(qiáng)型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個(gè)行業(yè)看，鋰離子電池被制造成多種形式，包括大家熟悉的圓柱體；移動(dòng)電話(huà)中使用的扁平封裝；硬塑棱形封裝。用于Volt的LGChem原裝電池使用棱形封裝。

正如UBMTechInsights和Munro&Associates的分析師描述的那樣，整個(gè)雪佛蘭Volt電池組由288節(jié)棱形鋰離子電池組成，這288節(jié)電池又被封裝成96個(gè)電池單元組，最終提供分析師測(cè)量到的386.6V直流系統(tǒng)電壓。這些電池單元組還要與溫度傳感器和冷卻單元組合在一起形成4個(gè)主電池模塊。連接每個(gè)電池組的電壓檢測(cè)線(xiàn)端接于每個(gè)電池模塊頂部的連接器，再由電壓檢測(cè)線(xiàn)束將連接器連接到位于每個(gè)電池模塊頂部的電池接口模塊。這里有4種顏色編碼的電池接口模塊，它們工作在電池組的不同位置，對(duì)應(yīng)4個(gè)模塊組的直流電壓偏移的低壓、中壓和高壓范圍。

來(lái)自電池接口模塊的數(shù)據(jù)向上傳送到電池能量控制模塊。這個(gè)控制模塊再將故障條件、狀態(tài)和診斷信息傳送給混合傳動(dòng)控制模塊，后者作為主控制器完成整車(chē)級(jí)的診斷。在任何時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)每隔0.1秒都會(huì)運(yùn)行500次以上診斷。其中85%的診斷主要集中于電池組的安全性，剩下的診斷用于電池性能和壽命。多層電路板

對(duì)電池性能的后續(xù)分析開(kāi)始于對(duì)電池接口控制模塊的重點(diǎn)拆解(圖3)。這個(gè)模塊用了一塊4層pCB板，其中大部分元件安裝在頂層，還有橙色的電池連接器和黑色的數(shù)據(jù)通信連接器。最上層有一個(gè)地平面和一些信號(hào)走線(xiàn)，有些走線(xiàn)通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到下面的層。在第2層中，在pCB的高壓區(qū)下方鋪有電源和地平面。第3層包含在這些區(qū)域下方通過(guò)的信號(hào)走線(xiàn)。pCB的另一面即第4層用于地平面和信號(hào)走線(xiàn)，并包含少許輔助元件。

圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊pCB，每塊pCB整合了多個(gè)檢測(cè)電路和CAN通信電路，并通過(guò)位于通信子系統(tǒng)邊緣的光耦加以隔離。(UBMTechInsights公司提供)

黑色的ATLpB-21-2AKpCB安裝型連接器承載有5V基準(zhǔn)、低壓基準(zhǔn)、信號(hào)地、CAN總線(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)、CAN總線(xiàn)低速串行數(shù)據(jù)以及高壓故障信號(hào)。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號(hào)、低壓基準(zhǔn)以及來(lái)自電池單元組的電壓檢測(cè)線(xiàn)。

檢測(cè)子系統(tǒng)

電池接口控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)復(fù)雜的檢測(cè)子系統(tǒng)——一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)電路，負(fù)責(zé)監(jiān)視每個(gè)鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經(jīng)過(guò)電池連接器到達(dá)L9763，一塊由意法微電子和LGChem聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ASIC。

L9763ASIC可以監(jiān)視多達(dá)10個(gè)獨(dú)立的鋰離子電池組，可以通過(guò)片上電流檢測(cè)放大器進(jìn)行電池－負(fù)載－電流的監(jiān)視，并通過(guò)片上的模擬復(fù)用器和采樣保持電路完成電池電壓的監(jiān)視(圖4)。這個(gè)器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測(cè)量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，pCB設(shè)計(jì)師可以聯(lián)合使用走線(xiàn)版圖技術(shù)、隔離技術(shù)和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中信號(hào)的完整性。

圖4：L9763ASIC包含有用于測(cè)量Volt電池組的電壓和電流以及通過(guò)無(wú)源電阻電池平衡技術(shù)平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，L9763的片上電路會(huì)將個(gè)別電池組切換到外部電阻網(wǎng)絡(luò)，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應(yīng)力。這種簡(jiǎn)單的無(wú)源技術(shù)為電池平衡提供了簡(jiǎn)單、低成本的解決方案，但損失了效率，因?yàn)槟芰孔兂闪朔烹婋娮枭系臒崃慷鴵p失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術(shù)是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲(chǔ)起來(lái)，并重新分配給最低的電池。這種技術(shù)需要在每節(jié)電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來(lái)儲(chǔ)存或重新分配電量。雖然有源方法與無(wú)源方法相比具有節(jié)省能量的優(yōu)勢(shì)，但增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

圖5：無(wú)源電池平衡技術(shù)(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術(shù)可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。

為了給多單元鋰離子電池組充電或放電，設(shè)計(jì)一般使用恒流或恒壓方法，此時(shí)充電系統(tǒng)將使用一對(duì)MOSFET在達(dá)到想要的充電電壓時(shí)降低充電電流，或在放電操作中增加電流。L9763提供充電泵驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件。L9763會(huì)將所監(jiān)視的鋰離子電池的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)SpI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32MCU。L9763還向MCU提供5VLDO輸出。針對(duì)總的電池管理功能，各個(gè)L9763器件是通過(guò)片上接口鏈接的，并由主控制單元通過(guò)垂直菊花鏈通信進(jìn)行單獨(dú)尋址。檢測(cè)電路MCU

如上所述，鋰離子電池的SOC估計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要足夠強(qiáng)大的處理能力。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，每個(gè)檢測(cè)子系統(tǒng)都有一個(gè)L9763ASIC和一個(gè)飛思卡爾的S9S08DZ3240-MHzHCS08MCU，該MCU集成有32kB閃存、2kbrAM和1kBE2pROM。外部4MHz振蕩器為MCU時(shí)鐘工作提供參考頻率。

在通用汽車(chē)－LGChem設(shè)計(jì)中，MCU需要執(zhí)行根據(jù)L9763提供的電壓和電流測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)SOC所需的運(yùn)算。雖然SOC算法是專(zhuān)有算法，但硬件配置和維護(hù)程序建議這些估計(jì)算法能將使用存儲(chǔ)的電池表征數(shù)據(jù)進(jìn)行的電壓驅(qū)動(dòng)估計(jì)與在充電過(guò)程中用于臨時(shí)重新校準(zhǔn)的更直接電量測(cè)量結(jié)合起來(lái)。由IBM描述的詳細(xì)系統(tǒng)建模環(huán)境的使用提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，有助于為優(yōu)化SOC計(jì)算找到合適的數(shù)據(jù)集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

HCS08的安全功能，比如計(jì)算機(jī)工作正常看門(mén)狗定時(shí)器，有助于確保可靠的工作，并在發(fā)生不可恢復(fù)的應(yīng)用軟件故障時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。在這種應(yīng)用中特別重要的是，S9S08DZ32內(nèi)部有個(gè)復(fù)雜的片上CAN控制器，當(dāng)不在使用時(shí)可以有選擇性地?cái)嚯娀蜻M(jìn)入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性能，片上控制器集成了5個(gè)接收緩存并組成了一個(gè)FIFO緩沖器，還有3個(gè)發(fā)送緩存，允許區(qū)分輸出消息的優(yōu)先次序。

圖6：片載CAN控制器是選用飛思卡爾S9S08DZ32MCU搭建電池接口控制模塊檢測(cè)子系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。(飛兆半導(dǎo)體提供)

信號(hào)隔離

在雪佛蘭Volt的系統(tǒng)之系統(tǒng)中，通信與控制是汽車(chē)工作的基礎(chǔ)，而Volt提供了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于隔離和保護(hù)各個(gè)子系統(tǒng)。上述復(fù)雜算法需要管理各個(gè)鋰離子電池組，并監(jiān)視特定電池接口控制模塊上的每個(gè)檢測(cè)子系統(tǒng)內(nèi)的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包含在CAN總線(xiàn)信號(hào)接口和高壓故障信號(hào)中。與此同時(shí)，系統(tǒng)安全性和可靠性取決于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與高壓檢測(cè)電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實(shí)現(xiàn)，但惡劣環(huán)境和多種安全法規(guī)使得光耦成為這類(lèi)應(yīng)用的首選解決方案。下一代系統(tǒng)

雪佛蘭Volt當(dāng)然是在商用化市場(chǎng)中投入生產(chǎn)的最復(fù)雜分布式嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用之一，它的設(shè)計(jì)在多個(gè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。在影響Volt成功和電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)普及的最重要系統(tǒng)中，汽車(chē)的鋰離子電池和相關(guān)的電池管理系統(tǒng)表明了汽車(chē)應(yīng)用中軟件和電路重要性的提高。根據(jù)最近發(fā)布的McKinsey市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，到2025年，新興鋰離子技術(shù)完全可以把電池容量提高80%至110%，價(jià)格則隨之下降，從而使電動(dòng)汽車(chē)的總體擁有成本能夠與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)汽車(chē)相抗?fàn)帯?duì)工程師來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)仍然表現(xiàn)為在面對(duì)更高的直流電壓、電池容量、數(shù)據(jù)速率和消費(fèi)者期望值的情況下如何發(fā)掘新興鋰離子電池系統(tǒng)的全部潛能。