在雪佛兰Volt轿车的中心有一个杂乱的电源组办理体系，用于保证给Volt传动体系供给电源的多单元锂离子电池组的安全性和牢靠性。
这个办理体系内的电池监督板运用了两个要害的子体系来牢靠地监督电池健康状况，并向主处理器供给数字成果，然后由主处理器协调体系的全体操作。将这两个子体系分开来可以看到一个信号接口，它能保证高压电池检测电路和板载通讯器材之间有杰出的阻隔。
在这份拆解陈述中，咱们回忆了与轿车运用中的高压锂离子电池组办理有关的应战，并评论了雪佛兰Volt电池组办理体系的整体架构怎么能满意这些应战要求。特别是，咱们评论了锂离子电池监督方面的要求，要点放在电池监督子体系、数字通讯子体系和阻隔接口中运用的架构和元件。咱们还具体审视了为这个规划选用的部件，包含定制ASIC、飞思卡尔的S9S08DZ32、安华高的ACPL-M43T和英飞凌的TLE6250G。终究，咱们评论了这种针对使命要害型电池组办理提出的特定解决计划的优势，并对可以满意相似规划应战的或许代替计划进行了权衡考虑。
为了供给轿车电池办理体系中阻隔效果的更多信息，咱们还供给了三个系列深度视频采访报道。
第1部分：介绍轿车电池办理体系中阻隔的效果;
第2部分：评论为这些运用挑选器材时的一些考虑要素;
第3部分：讨论雪佛兰Volt电池办理体系中阻隔器材的运用。
电动轿车应战
雪佛兰Volt是第一批出产的电池动力电动轿车(EV)，仅靠电池可以行进近40英里。当电池电量挨近低位极限时，可以发动汽油发动机产生额外电能，然后将轿车行进间隔扩大到几百英里。在Volt轿车的中心有一个锂离子电池组，长度为1.8米，重181公斤，可以产生16kWh的功率，足以发动驱动电机、给乘用设备供电，并给杂乱的电池办理体系供电。这种办理体系的杂乱性与飞翔体系适当。
IBM高档副总裁Robert LeBlanc指出，Volt软件内容有1000万行代码，超过了听说飞翔美国DOD F-35闪电2型联合作战飞机的750万行代码——这个软件规划自身就超过了现在喷气式战斗机代码规划的3倍，据美国政府问责办公室泄漏。尽管LeBlanc或许选取了一个争议较少的体系进行比较，但Volt的确引发了许多有关于自身的争议。或许还没有其它轿车得到过像Volt这样的重视度。事实上，当Volt测验车辆在停放数周后进行的测验磕碰中产生起火，这个事情立刻会引起政府机构的重视，并引发通用轿车的回购——即便在“实践磕碰事端”之后没有产生与电池有关的起火问题，美国国家高速交通安全办理局表明。
终究Volt的成功依赖于大众的承受程度——和它的功用。为了抵达这个意图，在规划Volt时，通用轿车与IBM合刁难Volt中的“体系之体系”功用进行了仿真。经过运用要害体系的具体模型，IBM软件不只验证了行为，乃至产生了Volt体系中运用的软件代码的要害部分。由于保证最佳锂离子电池功用和寿数需求杂乱的算法，所以这种代码生成和体系建模的办法对保证Volt电池办理体系的功用而言至关重要;事实上，优化这种电池的功用依然是业界、政府和学术界高度重视的研究课题。关于Volt来说，保证电池功用可以使终究的多板规划(图1)可以将多个嵌入式体系的作业整合成单一彻底体系，然后满意对Volt锂离子电池组提出的行进间隔、安全性、功用和更长寿数的要求。
图1：雪佛兰Volt电池办理体系将一切功用划分为用多块PCB完结的多个子体系。这次拆解的要点是电池接口操控模块——上图从右数第2栏中的赤色、蓝色和绿色电路板。(UBM TechInsights供给)
锂离子电池特性
用于满意Volt功用、安全性和牢靠性要求所需的杂乱体系与锂离子电池的特性直接相关。在锂离子电池放电时，锂在(典型的)石墨阳极中产生电离，锂离子进入电解液并穿过阻隔膜抵达阴极，然后产生电荷活动。充电进程与之相反，锂离子从阴极进入电解液并穿过阻隔膜流回阳极。
这种化学进程的功用和牢靠性取决于电池的温度和电压。在低温环境下，化学反应缓慢，因而会下降电池电压。跟着温度的上升，反应速度会加快，直到锂离子电池成份开端分化。当温度高于100℃时，电解液开端分化并开释气体，在没有压力开释机制的电池内将构成压力的堆积。在满意高温度下，锂离子电池或许产生热失控，一同伴跟着氧化物的分化和氧气的开释，继而进一步加快温度上升。
据此，使锂离子电池坚持在最佳作业状况是Volt电池办理体系的一个要害要求。Volt工程师的问题是要保证牢靠的数据搜集和剖析，以便正确地监督和操控轿车中的锂离子电池状况——这个问题由于锂离子电池自身的特性而变得愈加严峻。
咱们的锂离子电池技能有个特色，即在给定的温度和输出电流值条件下，锂离子电池可以在其容量规模的中段坚持近似平整的电压输出(图2)。尽管这个特性进步了锂离子电池作为一种动力的优势，但也使工程师企图运用简略的电池电压丈量办法向用户供给坚持电池电量或荷电状况(SOC)的手法变得杂乱起来。关于Volt轿车司机来说，准确地SOC丈量是准确估量轿车剩余可行进路程的要害。事实上，在新式的电动轿车商场中，“路程焦虑”是阻止电动轿车遍及和销量攀升的一个要害要素，因而准确描绘SOC十分重要。
图2：在给定温度和放电电流值条件下，像松下CGR18650CG这样的锂离子电池在放电规模的中心部分具有挨近平整的输出电压。这对动力来说是一种优势，但对需求准确丈量荷电状况(SOC)的工程师来说添加了规划杂乱性。(松下公司供给)
此外，将SOC坚持在特定规模内关于延伸电池寿数而言也很重要。电池的荷电状况太低或太高都将比坚持在中心值更快地产生功用劣化，而中心这个特定规模一般是依据经历得到的。假如答应彻底放电，锂离子电池成分功用将开端恶化，并导致永久损坏。假如答应将锂离子电池充电到引荐的上限电压之上，电池或许会产生过热，或构成结构的永久变形。
在Volt中，通用轿车公司工程师建立了58%至65%的安全SOC窗口，而且可以依据驾驭形式进行调整。在正常驾驭形式下可以将下限设置为30% SOC，在“山地驾驭”形式下，可以将下限设为更高的45%，以保证有满意的电量上坡，延伸行进时刻。当Volt抵达适宜的SOC下限时，轿车的汽油发动机将被发动，然后延伸行进间隔。
估量荷电状况
由于对锂离子电池的荷电状况(SOC)丈量不是很牢靠，工程师只能进行SOC估量，一般选用依据电流或依据电压的办法进行。
依据电流的办法可以供给最准确的成果。这样的办法会盯梢荷电的改动，实质上是核算充电进程中添加到电池的库仑数或在放电周期中减去的库仑数，然后判别相关于满充状况电池的SOC。但是，自放电丢失或电池自身的低效有或许使“库仑计数”办法呈现过错。别的，由于接连监督对许多运用来说不切实践，因而库仑计数法需求运用采样办法。在轿车运用中，这种办法有必要满意快，并能主动盯梢与加快有关的快速放电以及与再生制动有关的快速充电。
依据电压的办法将电池的瞬态电压输出作为进一步核算的根底来预算SOC，它考虑了电池温度、老化、电流输出和放电速率等改动要素。当与单节锂离子电池在多种作业条件下的准确表征数据一同运用时，电压法可以供给准确的SOC估量成果。关于像Volt这样的产品化轿车来说，维护进程需求准确的电池表征，并需求供给特定的东西和程序，使电池办理体系能学习新电池模块的容量——或在必要时从头学习电池容量。
锂离子电池的化学物质
锂离子电池包含多种化学物质，每一种在能量密度、功率、耐用性和标称电池电压方面具有不同的特性。LG Chem公司为Volt制作的电池运用了本公司的锰尖晶石阴极锂离子化学物质以及专有的安全加强型阻隔膜——陶瓷涂覆的半透膜。从整个职业看，锂离子电池被制构成多种形式，包含我们了解的圆柱体;移动电话中运用的扁平封装;硬塑棱形封装。用于Volt的LG Chem原装电池运用棱形封装。
正如UBM TechInsights和Munro Associates的剖析师描绘的那样，整个雪佛兰Volt电池组由288节棱形锂离子电池组成，这288节电池又被封装成96个电池单元组，终究供给剖析师丈量到的386.6V直流体系电压。这些电池单元组还要与温度传感器和冷却单元组合在一同构成4个主电池模块。衔接每个电池组的电压检测线端接于每个电池模块顶部的衔接器，再由电压检测线束将衔接器衔接到坐落每个电池模块顶部的电池接口模块。这里有4种颜色编码的电池接口模块，它们作业在电池组的不同方位，对应4个模块组的直流电压偏移的低压、中压和高压规模。
来自电池接口模块的数据向上传送到电池能量操控模块。这个操控模块再将毛病条件、状况和确诊信息传送给混合传动操控模块，后者作为主操控器完结整车级的确诊。在任何时候，整个体系每隔0.1秒都会运转500次以上确诊。其间85%的确诊首要集中于电池组的安全性，剩余的确诊用于电池功用和寿数。
多层电路板
对电池功用的后续剖析开端于对电池接口操控模块的要点拆解(图3)。这个模块用了一块4层PCB板，其间大部分元件装置在顶层，还有橙色的电池衔接器和黑色的数据通讯衔接器。最上层有一个地平面和一些信号走线，有些走线经过多个过孔衔接到下面的层。在第2层中，在PCB的高压区下方铺有电源和地平面。第3层包含在这些区域下方经过的信号走线。PCB的另一面即第4层用于地平面和信号走线，并包含少量辅佐元件。
图3：雪佛兰Volt中有4块电池接口操控模块PCB，每块PCB整合了多个检测电路和CAN通讯电路，并经过坐落通讯子体系边际的光耦加以阻隔。(UBM TechInsights公司供给)
黑色的ATLPB-21-2AK PCB装置型衔接器承载有5V基准、低压基准、信号地、CAN总线高速串行数据、CAN总线低速串行数据以及高压毛病信号。橙色电池衔接器承载了电池模块温度信号、低压基准以及来自电池单元组的电压检测线。
检测子体系
电池接口操控体系的中心是一个杂乱的检测子体系——一个完好的嵌入式体系电路，担任监督每个锂离子电池组的输出电压和电池组的温度。电池电压经过电池衔接器抵达L9763，一块由意法微电子和LG Chem联合开发的ASIC。
L9763 ASIC可以监督多达10个独立的锂离子电池组，可以经过片上电流检测放大器进行电池-负载-电流的监督，并经过片上的模仿复用器和采样坚持电路完结电池电压的监督(图4)。这个器材的差分输入可以在大偏移电压条件下保证毫伏精度的丈量，具体取决于电池单元在电池组中的方位。别的，PCB规划师可以联合运用走线地图技能、阻隔技能和前面说到的地平面，以保证这种极具应战的环境中信号的完好性。
图4：L9763 ASIC包含有用于丈量Volt电池组的电压和电流以及经过无源电阻电池平衡技能平衡这些电池中电量的片上电路。(意法微电子公司供给)
依据这些丈量成果，L9763的片上电路会将单个电池组切换到外部电阻网络，以便有挑选性地给电池放电，然后减小由于大的电压差异引起的应力。这种简略的无源技能为电池平衡供给了简略、低本钱的解决计划，但丢失了功率，由于能量变成了放电电阻上的热量而丢失掉了(图5)。代替性的电池平衡技能是运用有源办法，将最高电压电池的电量存储起来，偏从头分配给最低的电池。这种技能需求在每节电池之间次第切换，并运用电容、电感或变压器来贮存或从头分配电量。尽管有源办法与无源办法比较具有节约能量的优势，但添加了体系本钱和杂乱性。
图5：无源电池平衡技能(左)将高电压电池切换到放电电阻;有源电池平衡技能可以顺次累积电量到电容上(右)或电感上，或许运用变压器将电量分配给低电压电池。(意法微电子供给)。
为了给多单元锂离子电池组充电或放电，规划一般运用恒流或恒压办法，此刻充电体系将运用一对MOSFET在抵达想要的充电电压时下降充电电流，或在放电操作中添加电流。L9763供给充电泵驱动功率MOSFET器材。L9763会将所监督的锂离子电池的丈量数据经过SPI接口传送给飞思卡尔的S9S08DZ32 MCU。L9763还向MCU供给5V LDO输出。针对总的电池办理功用，各个L9763器材是经过片上接口链接的，并由主操控单元经过笔直菊花链通讯进行独自寻址。
检测电路MCU
如上所述，锂离子电池的SOC估量是一项杂乱的使命，需求满意强壮的处理才能。在这个规划中，每个检测子体系都有一个L9763 ASIC和一个飞思卡尔的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，该MCU集成有32kB闪存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振荡器为MCU时钟作业供给参阅频率。
在通用轿车-LG Chem规划中，MCU需求履行依据L9763供给的电压和电流丈量数据估量SOC所需的运算。尽管SOC算法是专有算法，但硬件装备和维护程序主张这些估量算法能将运用存储的电池表征数据进行的电压驱动估量与在充电进程中用于暂时从头校准的更直接电量丈量结合起来。由IBM描绘的具体体系建模环境的运用供给了一个抱负的渠道，有助于为优化SOC核算找到适宜的数据集，也有助于在广泛采样的作业条件下对办法进行验证承认。
HCS08的安全功用，比方核算机作业正常看门狗定时器，有助于保证牢靠的作业，并在产生不行康复的运用软件毛病时主动产生复位信号。在这种运用中特别重要的是，S9S08DZ32内部有个杂乱的片上CAN操控器，当不在运用时可以有挑选性地断电或进入休眠形式(图6)。为了协助保证可猜测的实时功用，片上操控器集成了5个接纳缓存并组成了一个FIFO缓冲器，还有3个发送缓存，答应区别输出音讯的优先次第。
图6：片载CAN操控器是选用飞思卡尔S9S08DZ32 MCU建立电池接口操控模块检测子体系的要害要素。(飞兆半导体供给)
信号阻隔
在雪佛兰Volt的体系之体系中，通讯与操控是轿车作业的根底，而Volt供给了多个网络用于阻隔和维护各个子体系。上述杂乱算法需求办理各个锂离子电池组，并监督特定电池接口操控模块上的每个检测子体系内的电池组。但是，终究整体电池办理需求的要害数据包含在CAN总线信号接口和高压毛病信号中。与此一同，体系安全性和牢靠性取决于CAN总线网络与高压检测电路的安全阻隔度。尽管阻隔可以用各种办法和元件完结，但恶劣环境和多种安全法规使得光耦成为这类运用的首选解决计划。
光耦可以供给很高的共模噪声按捺才能，而且基本上不受与轿车等电气噪杂环境有关的EMC和EMI的影响。别的，这类器材都有很厚的多层绝缘，在面临来自电池组的长时刻直流电压应力以及在测验、充电器衔接/断开和直流/直流转化期间或许产生的快速高压瞬态状况时十分有用。
在挑选这类重要元件时，针对轿车运用的要害要求包含适宜的封装和作业电压方针。尽管功用方针(如速度、数据速率和功耗)仍很重要，但来自快速切换时刻和大瞬态电流的EMI方面的考虑要素一般约束了对十分高速器材的需求，相反添加了对调整压摆率和功用以进一步约束EMI的更多灵敏性要求。
轿车级光耦
安华高科技公司的ACPL-M43T光耦供给了Volt轿车电池接口操控模块PCB中的阻隔功用。M43T是安华高R2Coupler系列产品中的一员，是一种轿车级单通道数字光耦，选用5个引脚的SO-5 Jedec表贴封装。为了增强绝缘功用，比如M43T等安华高的R2Coupler器材运用双绑定线来增强要害功用焊盘(图7)。此外，密封式轿车级LED的运用展现了扩展的牢靠性和很宽的温度规模，这要比依据消费级LED的光耦要高得多。以轿车运用为方针的安华高器材的制作契合ISO/TS16949质量体系，并获得了AEC-Q100标准的认证。
图7：在比如ACPL-M43T光耦等轿车级R2Coupler器材中，安华高运用双绑定线加固了要害功用焊盘(显现在高亮区)。(安华高科技公司供给)
ACPL-M43T可以很好地满意雪佛兰Volt电池组要求，方针包含567V接连作业电压、6000V最大瞬态过电压、5mm爬电间隔和5mm距离。该器材的逻辑高或逻辑低输出在10mA正向输入电流时具有30 kV/μsec的共模瞬态按捺功用，然后可以削减来自其它轿车子体系的瞬态信号进入CAN传输网络的或许性。
ACPL-M43T光耦的1M波特率满意这类规划运用。别的，器材选用了开漏输出方法，规划工程师可以经过调整输出压摆率来下降下流元件中的快速开关或许导致的电磁辐射。下流快速开关元件包含CAN收发器，尽管在CAN物理层传输协议中其固有的EMI相对较低。
在电池接口模块PCB中，M43T器材坐落通讯部分的边际，它将通讯部分与高压检测子体系阻隔开来，而这个高压检测子体系还被更深PCB层中的地平面进一步屏蔽。阻隔接口供给3个独立的M43T光耦，别离用于从每个检测电路引出的3根线——即飞思卡尔S9S08DZ32 CAN Tx输出引脚、MCU CAN Rx输入引脚和来自MCU的高电压毛病信号。举例来说，MCU CAN Tx引脚的输出信号将经过PCB中的屏蔽信号层抵达M43T器材的引脚1阳极给嵌入式LED供电，并导致引脚5 Vo产生状况改动(图8)。阻隔后的信号再传送到电池接口模块的通讯输出级电路。
图8：安华高ACPL-M43T光耦用于阻隔飞思卡尔S9S08DZ32 MCU和英飞凌CAN收发器之间的信号。(安华高科技公司供给)
CAN物理信号
英飞凌TLE6250G CAN收发器坐落通讯信号链的结尾，是一款经过AEC认证的IC，可以供给物理电缆和CAN协议处理器——这里是S9S08DZ32 MCU(经过光耦阻隔)之间的CAN物理层信号。这个器材的额外CAN传输速率是1M波特率，它能处理差分信号线上的CAN_H和CAN_L信号之间的转化，以及由S9S08DZ32发送和接纳的CAN占有(dominant)位和闲暇(recessive)位。
8引脚的TLE6250G包含了Tx、Rx、Vcc、GND、CAN_H和CAN_L引脚以及两个形式操控引脚：INH和RM。当TLE6250G检测到Rx引脚上的信号从CAN闲暇状况改动到CAN占有状况时，器材将交流CAN_H高和CAN_L低(图9)。
状况的这种对称性改动可以有用下降EMI，由于CAN_H上升构成的电磁辐射能被CAN_L的相反方向改变所平衡。
图9：在CAN物理层中，CAN_H和CAN_L的对称性改动有助于下降EMI。(英飞凌科技公司供给)
TLE6250G器材支撑3种作业形式：正常、待机和仅接纳。当RM引脚置低时，器材作业在仅接纳形式，这对确诊来说很有协助。当INH引脚置高时，器材进入低功耗待机形式，一同封闭发送和接纳功用。
下一代体系
雪佛兰Volt当然是在商用化商场中投入出产的最杂乱分布式嵌入式体系运用之一，它的规划在多个范畴处于领先水平。在影响Volt成功和电动轿车商场遍及的最重要体系中，轿车的锂离子电池和相关的电池办理体系表明晰轿车运用中软件和电路重要性的进步。依据最近发布的McKinsey商场调查陈述，到2025年，新式锂离子技能彻底可以把电池容量进步80%至110%，价格则随之下降，然后使电动轿车的整体具有本钱可以与内燃机驱动的传统轿车相反抗。对工程师来说，应战依然表现为在面临更高的直流电压、电池容量、数据速率和顾客期望值的状况下怎么开掘新式锂离子电池体系的悉数潜能。
