電動(dòng)汽車(chē) (EV) 由巨大的電池組供電（圖 1），由長(zhǎng)串電池串聯(lián)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)高于 800 V 的工作電壓和 40 A 的平均電流。這些電池系統(tǒng)在術(shù)語(yǔ)方面非常復(fù)雜因此，隔離、電流檢測(cè)、充電和放電邏輯控制以及底盤(pán)泄漏檢測(cè)需要一個(gè)用于高壓連接的接線盒。

每個(gè)電池單元電壓都由控制模塊監(jiān)控，并應(yīng)用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽㈦姵貑卧g的電壓增量保持在嚴(yán)格的容差范圍內(nèi)。接線盒控制充電系統(tǒng)、逆變器/電機(jī)和電池組的高壓連接。在該模塊內(nèi)測(cè)量高壓連接、電流和隔離電阻，并將其發(fā)送回主電子控制單元 (ECU) 以進(jìn)行充電狀態(tài) (SOC) 和功率計(jì)算、監(jiān)控車(chē)輛狀態(tài)并確保各種車(chē)輛條件下的安全。

圖 1：電動(dòng)汽車(chē)電池組和接線（圖片：Shutterstock）

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了帶有相關(guān)接線盒的典型 EV 電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。然后，我們介紹了一種新穎的接線盒設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是流線型的，可以更好地集成到系統(tǒng)中，并且能夠報(bào)告與系統(tǒng)其余部分時(shí)間一致的測(cè)量結(jié)果。

分布式電池系統(tǒng)架構(gòu)

圖 2說(shuō)明了一個(gè)典型的分布式電池系統(tǒng)。例如，在電池組的左側(cè)，八個(gè)監(jiān)控模塊 (N=8)，位于高壓板上，每個(gè)控制 14 行 (K=14) 串聯(lián)的電池，每行由 70 個(gè)電池組成并行（一個(gè) 7,840 Li+ 電池組）。微處理器和第一個(gè)模塊之間以及從一個(gè)模塊到下一個(gè)模塊需要隔離。數(shù)據(jù)隨后被傳遞到低壓板上的微控制器。

在電池組的右側(cè)，接線盒感應(yīng)六個(gè)關(guān)鍵電壓節(jié)點(diǎn)（接觸器 X 和隔離 ISO_RES），霍爾傳感器測(cè)量電流。然后將數(shù)據(jù)傳遞到第二個(gè)微處理器。

監(jiān)測(cè)接觸器電壓節(jié)點(diǎn)對(duì)于檢查接觸器關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)電池的健康狀況非常重要。它對(duì)安全至關(guān)重要，因?yàn)樗€告訴系統(tǒng)接觸器何時(shí)處于正確狀態(tài)。

圖 2：典型系統(tǒng)架構(gòu)（圖片：Maxim Integrated）

精簡(jiǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)

在圖 3中的流線型實(shí)現(xiàn)中，隔直電容器（或變壓器）用于隔離在不同共模電壓下工作的菊花鏈設(shè)備。可以在模塊之間的菊花鏈中使用廉價(jià)的電容器，從而降低系統(tǒng)成本。

此外，菊花鏈可以輕松擴(kuò)展以包含接線盒數(shù)據(jù)采集 IC，從而無(wú)需本地微處理器，并實(shí)現(xiàn)接線盒測(cè)量值與電池模塊測(cè)量值之間的時(shí)間對(duì)齊。時(shí)間對(duì)齊很重要，因?yàn)樗鼮?a target="_blank">電源管理和計(jì)算提供了更好的相關(guān)性。最后，接線盒高壓數(shù)據(jù)采集 IC 具有電流感應(yīng)能力，可以靈活地使用分流電阻器（如圖所示）或霍爾效應(yīng)電流傳感器，或同時(shí)使用兩者（用于冗余）。

圖 3：流線型系統(tǒng)架構(gòu)（圖片：Maxim Integrated）

帶電流感應(yīng)的高壓數(shù)據(jù)采集

例如，帶有集成電流檢測(cè)放大器的MAX17852是一個(gè)靈活的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于管理高壓和低壓電池模塊。該系統(tǒng)可以在 263 μs 內(nèi)測(cè)量 14 個(gè)電池電壓節(jié)點(diǎn)（或 7 個(gè)以地為參考的高壓節(jié)點(diǎn)）、一個(gè)電流以及四個(gè)溫度或系統(tǒng)電壓測(cè)量與完全冗余測(cè)量引擎的組合。它還可以?xún)H使用快速 ADC SAR 測(cè)量引擎在 156 μs 內(nèi)輪詢(xún)所有輸入。通過(guò)集成電流檢測(cè)放大器，MAX17852從分立式解決方案中消除了多個(gè)系統(tǒng)組件，包括體積龐大的霍爾效應(yīng)電流傳感器、偏置電路和ADC，從而節(jié)省了材料清單(BOM)成本和電路板空間。

這款高度集成的電池傳感器采用高速差分 UART 總線，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的菊花鏈串行通信，旨在實(shí)現(xiàn)最大的抗噪性。最多可以菊花鏈連接 32 個(gè)設(shè)備。單個(gè)菊花鏈可實(shí)現(xiàn)接線盒和電池監(jiān)控測(cè)量之間的時(shí)間對(duì)齊。因此，電池電壓、母線測(cè)量值、電池組電壓、電池組電流、接觸器電壓和溫度測(cè)量值在 10 μs 內(nèi)對(duì)齊。

該系統(tǒng)使用 Maxim 的電池管理 UART 或 SPI 協(xié)議實(shí)現(xiàn)可靠的通信，并支持 I2C 主接口用于外部設(shè)備控制。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可通過(guò)嵌入式通信和硬件警報(bào)接口支持減少的內(nèi)部診斷和快速警報(bào)通信功能集，以支持 ASIL D 和 FMEA 要求。

電池電氣隔離測(cè)量

交通部 (TP-305-01) 為此測(cè)量規(guī)定了根據(jù) SAE 1766 在推進(jìn)電池的負(fù)（正）側(cè)之間的大約 500 倍車(chē)輛標(biāo)稱(chēng)工作電壓（以伏特）的電阻（以歐姆為單位）和車(chē)輛底盤(pán)，即 400 V 時(shí)為 200 kΩ。因此，底盤(pán)和電池正極（負(fù)極）之間的隔離電阻 RLEAK- (RLEAK+) 可以通過(guò)圖 4中所示的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感應(yīng)，并作為電壓報(bào)告給數(shù)據(jù)采集??IC的AUX引腳。

圖 4：電池隔離電阻測(cè)量（Maxim Integrated）

基于圖 4中的網(wǎng)絡(luò)，RLEAK-case 的 VAUX 方程為：

下圖報(bào)告了 RLEAK+ 和 RLEAK- 的曲線，并顯示 200 kΩ RLEAK- 隔離電阻產(chǎn)生 2.18 V 的感測(cè)電壓 VAUX，而 200 kΩ RLEAK+ 隔離電阻產(chǎn)生 1.08 V 的感測(cè)電壓。

圖 5：隔離電阻曲線（Maxim Integrated）

結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)處理高電壓和高電流。必須監(jiān)控高壓和低壓板之間的電氣連接、接觸電阻、電流和隔離電阻，以確保安全運(yùn)行。通過(guò)在 EV 電池系統(tǒng)中使用獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集 IC MAX17852，它具有低噪聲、高性?xún)r(jià)比、電容隔離菊花鏈通信架構(gòu)，可以消除對(duì)接線盒專(zhuān)用微處理器的需求。

由于集成了電流檢測(cè)放大器，MAX17852還省去了笨重且更昂貴的霍爾效應(yīng)電流傳感器。此外，它還可以在接線盒和電池電壓測(cè)量之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間對(duì)齊，而快速 SAR ADC 架構(gòu)可以在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量。