隔離電池管理系統(tǒng) (BMS)

電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 和插電式混合電動(dòng)汽車(chē) (PHEV) 依靠串聯(lián)的鋰離子電池，為牽引電機(jī)提供所需的充分電壓。  對(duì)于續(xù)航里程有限的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)而言，這些高電壓 (HV) 電池組的電壓范圍可以從 48 伏到大約 100 伏，而對(duì)于續(xù)航數(shù)百公里的電動(dòng)汽車(chē)，電壓范圍最高可達(dá)數(shù)百伏。下一代電動(dòng)汽車(chē)和卡車(chē)將使用 800 V 或更高電壓的電池組，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程而無(wú)需頻繁充電，同時(shí)能夠在幾分鐘內(nèi)完成超快速充電（較高的電壓意味著充電電流較低，因此電池散熱量更少，電池也就能夠接受更多的充電功率）。由于每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)電池單元在充滿(mǎn)電時(shí)可以產(chǎn)生大約 3.7 V 至 4.2 V 的標(biāo)稱(chēng)電壓，因此一個(gè) 800 V 電動(dòng)汽車(chē)電池將需要大約 240 個(gè)串聯(lián)的電池單元。

高電壓 (HV) 電池組

出于實(shí)際考慮，最好將電動(dòng)汽車(chē)的電池放在幾個(gè)獨(dú)立的電池包中，每個(gè)電池包包含 6 至 24 個(gè)電池單元。較小尺寸的電池包可以最大限度地利用不規(guī)則尺寸的電動(dòng)汽車(chē)電池外殼中的可用空間，這樣的電池艙能夠適配典型的電動(dòng)汽車(chē)。使用電池包還可以在選擇并聯(lián)/串聯(lián)組合時(shí)提供更多自由度，以創(chuàng)建適用于不同牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的不同電壓/電流配置。此外，如果單個(gè)電池單元出現(xiàn)故障，則只會(huì)影響眾多電池包中的一個(gè)，電動(dòng)汽車(chē)的電池仍然可以正常工作。

電池單元平衡

電池單元之間的電壓和能量容量存在輕微差異，因此在為電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，如果簡(jiǎn)單地將所有電池單元串聯(lián)起來(lái)，會(huì)造成電池單元間的不平衡，這樣一來(lái)，有些電池單元可能已經(jīng)充滿(mǎn)電，而其他電池單元仍需更多電充滿(mǎn)。電池單元如果過(guò)度充電，可能會(huì)過(guò)熱，這可能會(huì)損壞電池單元和整個(gè)電池包。最壞的情況就是電池包可能會(huì)起火。為避免這種情況，使用電池單元監(jiān)控 IC 來(lái)單獨(dú)監(jiān)控和控制充電（和放電）配置，確保所有電池單元在不受欠壓、過(guò)電壓或過(guò)溫條件損害的情況下充分利用其容量。在充電過(guò)程中，可以繞過(guò)那些已充滿(mǎn)電的單個(gè)電池單元，以便電池組中的其他電池單元可以繼續(xù)充電。這種平衡過(guò)程會(huì)一直持續(xù)，直至所有電池單元都充滿(mǎn)電，且電量相等。在放電過(guò)程中，同樣的平衡電路可以確保所有電池單元均等放電。

電池管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)的電池包通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合在一起，形成所需的電動(dòng)汽車(chē)電池電壓，并通過(guò)通信總線(xiàn)與中央電池管理系統(tǒng) (BMS) 通信，該通信總線(xiàn)通常是汽車(chē)行業(yè)中普遍使用的 CAN 總線(xiàn)。BMS 監(jiān)控整體高電壓 (HV) 電池組的充電和放電情況，并計(jì)算電池組的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH)。該系統(tǒng)還監(jiān)控每個(gè)電池包的電流、電壓和溫度，以確保安全工作。隨著高電壓電池中電池單元數(shù)量的增加，需要收集和處理的數(shù)據(jù)量也在增加，但系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間的要求保持不變。CAN 總線(xiàn)必須以高數(shù)據(jù)速率（高達(dá) 25 Mbps）和低傳播延遲 (100 – 50ns) 運(yùn)行。

安全隔離

所有電動(dòng)汽車(chē)都必須配備機(jī)械安全開(kāi)關(guān)或接觸器，以便在緊急情況下斷開(kāi)高電壓電池連接。如果開(kāi)關(guān)與電池的高電壓輸出串聯(lián)放置，那么在故障情況下，電池組中的電池包之間可能仍會(huì)有足夠的電流流動(dòng)，從而引發(fā)火災(zāi)，因此通常將其放置在電池組中間。這種并不常見(jiàn)的布局（圖 1）最大限度地提高了整體安全性，但需要隔離通信線(xiàn)路來(lái)確保電流無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接繞過(guò)安全開(kāi)關(guān)。

圖 1.帶有隔離數(shù)據(jù)總線(xiàn)的電池組

通過(guò)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提高容錯(cuò)能力

大多數(shù)電池單元平衡 IC 都包含一個(gè)內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器，使用電池電壓的同時(shí)為 IC 和數(shù)據(jù)通信端口的隔離側(cè)供電，而 BMS 控制器則為非隔離側(cè)供電（如圖 1 中的紅色線(xiàn)跡所示）。

然而，由于高電壓電池組由許多以并聯(lián)/串聯(lián)配置排列的電池包組成，使用隔離型 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器單獨(dú)隔離每個(gè)電池串通信總線(xiàn)可以提高系統(tǒng)可靠性。在這種情況下，隔離型 CAN 總線(xiàn)側(cè)也需要隔離電源（圖 2）。

圖 2：并聯(lián)電池組的獨(dú)立隔離電源和總線(xiàn)連接

RECOM 提供了一款專(zhuān)為隔離總線(xiàn)收發(fā)器應(yīng)用設(shè)計(jì)的隔離式 5 V 對(duì) 5 V 轉(zhuǎn)換器模塊，型號(hào)為 R05CTE05S。該模塊采用緊湊型 16 SOIC SMD 封裝，提供 1 W 的功率，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，非常適合安裝在電池艙內(nèi)。隔離等級(jí)為 3 kVDC/1 min，這意味著該模塊可以輕松應(yīng)對(duì) 800 V 或更高的電池組電壓，并且隨著電動(dòng)汽車(chē)電池制造商不斷尋求改進(jìn)其產(chǎn)品，可適應(yīng)未來(lái)任何新的電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)發(fā)展。為提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，輸出提供保護(hù)措施，可以防止連續(xù)短路、過(guò)電流和過(guò)溫。欠壓鎖定功能意味著轉(zhuǎn)換器只有在電源電壓超過(guò) 3.3 V 時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，避免了 BMS 系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)損壞問(wèn)題。 

通過(guò)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器節(jié)省成本

雖然市場(chǎng)上提供帶有內(nèi)置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的隔離 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器，但成本比非隔離式版本更昂貴，且可供選擇的供應(yīng)商也較少。將數(shù)字隔離器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊和非隔離式收發(fā)器組合使用，是一種構(gòu)建隔離型 CAN 總線(xiàn)接口更為靈活且經(jīng)濟(jì)的方案（圖 3）。雖然該解決方案需要使用更多元器件，但供應(yīng)商的選擇范圍更廣，總擁有成本 (TCO) 也可以更低。

圖 3：“離散”隔離型 CAN 總線(xiàn)接口解決方案

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主經(jīng)常問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是：“電動(dòng)汽車(chē)電池能用多久？”電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)最重要的功能之一是通過(guò)平衡各個(gè)電池單元的充電和放電電流、繞過(guò)缺陷電池單元，并確保插電式電動(dòng)汽車(chē)的電池組不會(huì)意外過(guò)度充電或經(jīng)歷十分嚴(yán)重的深度放電，從而延長(zhǎng)電池組的使用壽命。每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)電池包中還內(nèi)置了熱敏電阻，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姵厣峁芾?，因?yàn)闇囟冗^(guò)高或過(guò)低的情況同樣會(huì)嚴(yán)重影響電池壽命。然而，如果電動(dòng)汽車(chē)電池與電池管理系統(tǒng)之間缺乏持續(xù)且可靠的通信，就無(wú)法保證電池的安全。因此，RECOM 的 RxxCTxx 系列產(chǎn)品中的隔離部分已經(jīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間依賴(lài)性介電擊穿 (TDDB) 測(cè)試，預(yù)計(jì)絕緣壽命超過(guò) 600 年。