在雪佛蘭Volt轎車的中心有一個復雜的電源組管理系統，用于確保給Volt傳動系統提供電源的多單元鋰離子電池組的安全性和可靠性。這個管理系統內的電池監視板使用了兩個關鍵的子系統來可靠地監視電池健康狀況，并向主處理器提供數字結果，然后由主處理器協調系統的整體操作。將這兩個子系統分開來可以看到一個信號接口，它能確保高壓電池檢測電路和板載通信器件之間有良好的隔離。

在這份拆解報告中，我們回顧了與汽車應用中的高壓鋰離子電池組管理有關的挑戰，并討論了雪佛蘭Volt電池組管理系統的總體架構如何能滿足這些挑戰要求。特別是，我們討論了鋰離子電池監視方面的要求，重點放在電池監視子系統、數字通信子系統和隔離接口中使用的架構和元件。我們還詳細審視了為這個設計選用的部件，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任務關鍵型電池組管理提出的特定解決方案的優勢，并對可以滿足類似設計挑戰的可能替代方案進行了權衡考慮。

為了提供汽車電池管理系統中隔離作用的更多信息，我們還提供了三個系列深度視頻采訪報道。

第1部分：介紹汽車電池管理系統中隔離的作用；

第2部分：討論為這些應用選擇器件時的一些考慮因素；

第3部分：探討雪佛蘭Volt電池管理系統中隔離器件的使用電動汽車挑戰

雪佛蘭Volt是第一批生產的電池動力電動汽車(EV)，僅靠電池可以行駛近40英里。當電池電量接近低位極限時，可以啟動汽油發動機產生額外電能，進而將汽車行駛距離擴大到幾百英里。在Volt轎車的中心有一個鋰離子電池組，長度為1.8米，重181公斤，可以產生16kWh的功率，足以啟動驅動電機、給乘用設備供電，并給復雜的電池管理系統供電。這種管理系統的復雜性與飛行系統相當。

IBM高級副總裁RobertLeBlanc指出，Volt軟件內容有1000萬行代碼，超過了據說飛行美國DODF-35閃電2型聯合特種飛機的750萬行代碼——這個軟件規模本身就超過了目前噴氣式戰斗機代碼規模的3倍，據美國政府問責辦公室透露。雖然LeBlanc可能選取了一個爭議較少的系統進行比較，但Volt確實引發了很多有關于自身的爭議。也許還沒有其它汽車得到過像Volt這樣的關注度。事實上，當Volt測試車輛在停放數周后進行的測試碰撞中發生起火，這個事件馬上會引起政府機構的關注，并引發通用汽車的回購——即便在“實際碰撞事故”之后沒有發生與電池有關的起火問題，美國國家高速交通安全管理局表示。

最終Volt的成功依賴于公眾的接受程度——和它的功能。為了達到這個目的，在設計Volt時，通用汽車與IBM合作對Volt中的“系統之系統”性能進行了仿真。通過使用關鍵系統的詳細模型，IBM軟件不僅驗證了行為，甚至產生了Volt系統中使用的軟件代碼的關鍵部分。由于確保最佳鋰離子電池性能和壽命需要復雜的算法，所以這種代碼生成和系統建模的方法對確保Volt電池管理系統的性能而言至關重要；事實上，優化這種電池的性能仍然是業界、政府和學術界高度關注的研究課題。對于Volt來說，確保電池性能可以使最終的多板設計(圖1)能夠將多個嵌入式系統的工作整合成單一完整系統，進而滿足對Volt鋰離子電池組提出的行駛距離、安全性、性能和更長壽命的要求。

圖1：雪佛蘭Volt電池管理系統將所有功能劃分為用多塊pCB實現的多個子系統。這次拆解的重點是電池接口控制模塊——上圖從右數第2欄中的紅色、藍色和綠色電路板。(UBMTechInsights提供)

鋰離子電池特性

用于滿足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的復雜系統與鋰離子電池的特性直接相關。在鋰離子電池放電時，鋰在(典型的)石墨陽極中發生電離，鋰離子進入電解液并穿過隔離膜到達陰極，進而產生電荷流動。充電過程與之相反，鋰離子從陰極進入電解液并穿過隔離膜流回陽極。

這種化學過程的性能和可靠性取決于電池的溫度和電壓。在低溫環境下，化學反應緩慢，因此會降低電池電壓。隨著溫度的上升，反應速度會加快，直到鋰離子電池成份開始分解。當溫度高于100℃時，電解液開始分解并釋放氣體，在沒有壓力釋放機制的電池內將造成壓力的堆積。在足夠高溫度下，鋰離子電池可能發生熱失控，同時伴隨著氧化物的分解和氧氣的釋放，繼而進一步加速溫度上升。

據此，使鋰離子電池保持在最佳工作狀態是Volt電池管理系統的一個關鍵要求。Volt工程師的問題是要確保可靠的數據收集和分析，以便正確地監視和控制汽車中的鋰離子電池狀態——這個問題由于鋰離子電池自身的特性而變得更加嚴重。

我們的鋰離子電池技術有個特點，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)。雖然這個特性提高了鋰離子電池作為一種能源的優勢，但也使工程師試圖使用簡單的電池電壓測量方法向用戶提供保持電池電量或荷電狀態(SOC)的手段變得復雜起來。對于Volt汽車司機來說，精確地SOC測量是準確估計汽車剩余可行駛里程的關鍵。事實上，在新興的電動汽車市場中，“里程焦慮”是阻礙電動汽車普及和銷量攀升的一個關鍵因素，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。這對能源來說是一種優勢，但對需要精確測量荷電狀態(SOC)的工程師來說增加了設計復雜性。

此外，將SOC保持在特定范圍內對于延長電池壽命而言也很重要。電池的荷電狀態太低或太高都將比保持在中間值更快地發生性能劣化，而中間這個特定范圍一般是根據經驗得到的。如果允許完全放電，鋰離子電池成分性能將開始惡化，并導致永久損壞。如果允許將鋰離子電池充電到推薦的上限電壓之上，電池可能會發生過熱，或造成結構的永久變形。

在Volt中，通用汽車公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根據駕駛模式進行調整。在正常駕駛模式下可以將下限設置為30%SOC，在“山地駕駛”模式下，可以將下限設為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長行駛時間。當Volt達到合適的SOC下限時，汽車的汽油發動機將被啟動，從而延長行駛距離。

估計荷電狀態

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

基于電流的方法可以提供最精確的結果。這樣的方法會跟蹤荷電的變化，實質上是計算充電過程中增加到電池的庫侖數或在放電周期中減去的庫侖數，然后判斷相對于滿充狀態電池的SOC。然而，自放電損失或電池本身的低效有可能使“庫侖計數”方法出現錯誤。另外，因為連續監視對許多應用來說不切實際，因此庫侖計數法需要使用采樣方法。在汽車應用中，這種方法必須足夠快，并能自動跟蹤與加速有關的快速放電以及與再生制動有關的快速充電。

基于電壓的方法將電池的瞬態電壓輸出作為進一步計算的基礎來估算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。當與單節鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數據一起使用時，電壓法可以提供精確的SOC估計結果。對于像Volt這樣的產品化汽車來說，維護過程需要精確的電池表征，并需要提供特定的工具和程序，使電池管理系統能學習新電池模塊的容量——或在必要時重新學習電池容量。

鋰離子電池的化學物質

鋰離子電池包含多種化學物質，每一種在能量密度、效率、耐用性和標稱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物質以及專有的安全加強型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個行業看，鋰離子電池被制造成多種形式，包括大家熟悉的圓柱體；移動電話中使用的扁平封裝；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，整個雪佛蘭Volt電池組由288節棱形鋰離子電池組成，這288節電池又被封裝成96個電池單元組，最終提供分析師測量到的386.6V直流系統電壓。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個主電池模塊。連接每個電池組的電壓檢測線端接于每個電池模塊頂部的連接器，再由電壓檢測線束將連接器連接到位于每個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，對應4個模塊組的直流電壓偏移的低壓、中壓和高壓范圍。

來自電池接口模塊的數據向上傳送到電池能量控制模塊。這個控制模塊再將故障條件、狀態和診斷信息傳送給混合傳動控制模塊，后者作為主控制器完成整車級的診斷。在任何時候，整個系統每隔0.1秒都會運行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

對電池性能的后續分析開始于對電池接口控制模塊的重點拆解(圖3)。這個模塊用了一塊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據通信連接器。最上層有一個地平面和一些信號走線，有些走線通過多個過孔連接到下面的層。在第2層中，在pCB的高壓區下方鋪有電源和地平面。第3層包含在這些區域下方通過的信號走線。pCB的另一面即第4層用于地平面和信號走線，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整合了多個檢測電路和CAN通信電路，并通過位于通信子系統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、低壓基準、信號地、CAN總線高速串行數據、CAN總線低速串行數據以及高壓故障信號。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號、低壓基準以及來自電池單元組的電壓檢測線。

檢測子系統

電池接口控制系統的核心是一個復雜的檢測子系統——一個完整的嵌入式系統電路，負責監視每個鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經過電池連接器到達L9763，一塊由意法微電子和LGChem聯合開發的ASIC。

L9763ASIC可以監視多達10個獨立的鋰離子電池組，可以通過片上電流檢測放大器進行電池－負載－電流的監視，并通過片上的模擬復用器和采樣保持電路完成電池電壓的監視(圖4)。這個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量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，pCB設計師可以聯合使用走線版圖技術、隔離技術和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰的環境中信號的完整性。

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

根據這些測量結果，L9763的片上電路會將個別電池組切換到外部電阻網絡，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力。這種簡單的無源技術為電池平衡提供了簡單、低成本的解決方案，但損失了效率，因為能量變成了放電電阻上的熱量而損失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲起來，并重新分配給最低的電池。這種技術需要在每節電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲存或重新分配電量。雖然有源方法與無源方法相比具有節省能量的優勢，但增加了系統成本和復雜性。

圖5：無源電池平衡技術(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術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，設計一般使用恒流或恒壓方法，此時充電系統將使用一對MOSFET在達到想要的充電電壓時降低充電電流，或在放電操作中增加電流。L9763提供充電泵驅動功率MOSFET器件。L9763會將所監視的鋰離子電池的測量數據通過SpI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32MCU。L9763還向MCU提供5VLDO輸出。針對總的電池管理功能，各個L9763器件是通過片上接口鏈接的，并由主控制單元通過垂直菊花鏈通信進行單獨尋址。檢測電路MCU

如上所述，鋰離子電池的SOC估計是一項復雜的任務，需要足夠強大的處理能力。在這個設計中，每個檢測子系統都有一個L9763ASIC和一個飛思卡爾的S9S08DZ3240-MHzHCS08MCU，該MCU集成有32kB閃存、2kbrAM和1kBE2pROM。外部4MHz振蕩器為MCU時鐘工作提供參考頻率。

在通用汽車－LGChem設計中，MCU需要執行根據L9763提供的電壓和電流測量數據估計SOC所需的運算。雖然SOC算法是專有算法，但硬件配置和維護程序建議這些估計算法能將使用存儲的電池表征數據進行的電壓驅動估計與在充電過程中用于臨時重新校準的更直接電量測量結合起來。由IBM描述的詳細系統建模環境的使用提供了一個理想的平臺，有助于為優化SOC計算找到合適的數據集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對方法進行驗證確認。

HCS08的安全功能，比如計算機工作正常看門狗定時器，有助于確保可靠的工作，并在發生不可恢復的應用軟件故障時自動產生復位信號。在這種應用中特別重要的是，S9S08DZ32內部有個復雜的片上CAN控制器，當不在使用時可以有選擇性地斷電或進入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預測的實時性能，片上控制器集成了5個接收緩存并組成了一個FIFO緩沖器，還有3個發送緩存，允許區分輸出消息的優先次序。

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子系統的關鍵因素。(飛兆半導體提供)

信號隔離

在雪佛蘭Volt的系統之系統中，通信與控制是汽車工作的基礎，而Volt提供了多個網絡用于隔離和保護各個子系統。上述復雜算法需要管理各個鋰離子電池組，并監視特定電池接口控制模塊上的每個檢測子系統內的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關鍵數據包含在CAN總線信號接口和高壓故障信號中。與此同時，系統安全性和可靠性取決于CAN總線網絡與高壓檢測電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實現，但惡劣環境和多種安全法規使得光耦成為這類應用的首選解決方案。下一代系統

雪佛蘭Volt當然是在商用化市場中投入生產的最復雜分布式嵌入式系統應用之一，它的設計在多個領域處于領先水平。在影響Volt成功和電動汽車市場普及的最重要系統中，汽車的鋰離子電池和相關的電池管理系統表明了汽車應用中軟件和電路重要性的提高。根據最近發布的McKinsey市場調查報告，到2025年，新興鋰離子技術完全可以把電池容量提高80%至110%，價格則隨之下降，從而使電動汽車的總體擁有成本能夠與內燃機驅動的傳統汽車相抗爭。對工程師來說，挑戰仍然表現為在面對更高的直流電壓、電池容量、數據速率和消費者期望值的情況下如何發掘新興鋰離子電池系統的全部潛能。