电子产品世界

概述

电动汽车应用中，高电压锂电池组的管理面临诸多挑战，除了必须的充放电监控管理，基于安全方面考虑，还需要对高压电池组进行必要的电气隔离。本文就锂电池监测的需求进行分析并探讨数字光耦在电池监控模块、数字通信模块和接口模块中的隔离应用。

在电池管理系统中，电池监控模块采用两个关键子系统来可靠地监控电池状态并把监控结果发送给系统主机。因为这个应用中存在高压和热地等，为了确保系统的安全及人身安全，模块系统间有必要进行隔离。

锂电池特性

复杂的电子系统需要满足电动汽车的性能、安全和可靠性要求，而电动汽车的电子系统或多或少都受到锂电池特性的影响。锂电池放电时，通常锂离子通过石墨阳极通过电解质移动到阴极，形成电荷流动，充电过程则相反。

这个化学反应过程的性能和可靠性主要依赖于电池芯的温度和电压。低温时，化学反应慢，电压更大，当温度上升，化学反应率加快，如果不进行控制，直到锂电池芯成分开始分解。如果温度高于100摄氏度，分解开始，会释放气体，这能引起大的压力问题，所以锂电池设计时要考虑气体压力的释放途径。在足够高的温度下，锂电池可能会因氧化物分解而释放出氧气，这进一步加速温度的上升。

因此，达到理想的运行状态对于锂电池来说是非常重要的，也是锂电池管理系统非常重要的控制目标。管理系统要能确保可靠的数据收集和分析来监控汽车上锂电池的状态。

通常，汽车电池包含几百个锂电池单元，这些单元又分属于几十个不同的电池组，通过串并联的复杂组合得到高达几百伏的直流电压。这些电池结合温度传感及冷却部分组成几个主电池模块。电池模块电压、电流和温度等数据上传到电池能量控制模块，这个模块再把检测到的故障状况、状态和诊断信息等上传到混合动力传动系控制模块，给到汽车的中央控制器。任何时候，整个系统每十分之一秒就运行超过500次的诊断，85%的诊断集中在电池组的安全性能上，15%的诊断主要是关于电池性能和寿命的。

多层板

电池性能的分析通常都是从电池接口控制模块开始的，为了得到高信号完整性，通常使用四层PCB来实现。通过走线布局技巧、隔离技术，以及地平面处理相结合，来确保信号的完整性。最上面一层包含关键器件，如光耦、地平面和信号走线等。第二层中，主要是功率和地平面之下的PCB的高电压部分传播;第三层包含这些区域的信号走线等。最底层，用于地平面和信号走线以及其他元器件等。　

信号隔离

电动汽车中通信和控制是整个汽车运行的基石，并且各模块间多采用隔离来保护各个子系统。复杂的算法管理着各个锂离子电池组和电池接口控制模块上的各子系统，最终，对于整个系统所需要的电池管理的关键数据都是通过CAN总线实现的。同时，系统的安全性和可靠性取决于来自高电压检测电路CAN总线网络的安全隔离。虽然隔离可以使用各种方法和元件进行改造，在恶劣的环境下要符合众多安全法规，光耦是一个优先的解决方案　　

光耦具有高共模噪声抑制能力，并能从根本上提升汽车对EMC和EMI的免疫力。此外，这些高隔离水平的光耦能耐受来自于电池包的长期的电压压力和在测试、充放电连接、以及直流-直流转换过程中产生的瞬态高压噪声。

在选择这些重要的元器件时，汽车应用的核心需求包括合适的的封装和工作电压规格等。尽管诸如速度、数据率和功耗等参数指标也很重要，但考虑到非常快的开关速度以及高电流变化容易引起EMI问题，这抑制了对这些参数指标需求。

为了符合汽车应用环境的严格规范要求，Avago提供了多个系列的光耦产品应用于电池组的电压检测、数据通信接口及其他需要隔离的应用。

汽车级光耦ACPL-M71T

Avago的ACPL-M71T光耦就提供了电池接口控制板所需要的隔离功能，作为Avago R²Coupler系列的一员，ACPL-M71T是一款采用紧凑5引脚SO-5 JEDEC封装，适合表面贴装应用的汽车级单通道数字光电耦合器。除了强化绝缘能力外，Avago的R2Coupler产品使用双线来强化一些关键的功能。另外，密封型光耦拓展了展现了更强的可靠性和更广的工作温度范围，大幅度超越使用消费类等级LED的光电耦合器产品。专门面向汽车应用设 计，Avago的产品使用车用级LED，通过符合ISO/TS16949的质量系统进行制造，并符合AEC-Q100规格要求。

Avago 的 ACPL-M71T 和 ACPL-M72T 为采用 SO-5 封装的高温数字 CMOS 光耦，适合油电混合电力车和电动车的应用，这款光耦使用最新的 CMOS 芯片技术达到卓越的性能和超低功耗，所有器件都符合 AEC-Q100 要求并可在 -40°C 到 125°C 的温度范围内工作。

ACPL-M71T 使用高速 LED，ACPL-M72T 则使用低电流 LED 实现较低功耗，高速 ACPL-M71T 具有最高 35ns 的传播延迟 (IF = 10mA 时)，ACPL-M72T 光耦则具有超低功耗，于 4mA 的低 LED 驱动电流下，ACPL-M72T的典型传播延迟为 55ns。

每个数字光电耦合器都内置 CMOS 检测器芯片、光二极管、高速跨阻放大器和带有输出驱动电路的电压比较器。

所有 Avago 的 R²Coupler 光电耦合器都拥有强化绝缘和可靠性，为汽车和高温工业应用带来非常关键的安全信号隔离。

关键词： ACPL-M71T 汽车级隔离光耦 数字光耦 光