電動車接線盒簡化設計大公開

電動車(EV)以龐大的電池系統(圖1)作為動力來源，該電池系統由長串的串聯電池構成，能供應最高800V的電壓與平均40安培的電流。每個電池的電壓由控制模組負責監控，若有需要，系統會透過適合的控制模組將各電池間的壓差維持在極小的容限範圍內。接線盒負責控制充電系統、逆變器/馬達，以及電池組的高電壓接頭。高壓接頭、電流及隔離電阻皆於該模組內進行量測，結果回傳至主ECU，進行SOC電荷狀態與電力計算、監視車輛狀態，並確保各種車輛狀況的安全性。

本文探討配置接線盒的典型電動車電池系統架構，文後並介紹一種新穎的簡潔化接線盒設計，其能更完善地整合至系統中，通報的量測訊號也能與系統其他部分達成時序對齊。

分散式電池系統架構

圖2為典型分散式電池系統架構，其中，左側電池組有8個監控模組(N=8)，裝在高壓電路板，各自控制14列(K=14)串聯電池，每列含有70個並聯電池(7840 Li+電池組合)。微處理器與第一個模組，以及不同模組之間都需要隔離。資料將傳遞至低壓板上的微控制器。

在電池組右側，接線盒感測到6個關鍵電壓節點(接頭與隔離ISO_RES)，霍爾效應感測器則偵測到電流。偵測所得之資料將傳至第二個微處理器。

監視接頭電壓節點也相當重要，其可用以檢查電磁接觸器關閉及開路時的電池健康狀況。這屬於攸關性命的安全關鍵功能，能夠告知系統接頭是否處於正確狀態。

精簡化系統架構

圖3為精簡化架構，其中，直流隔離電容(或變壓器)用來隔離在不同共模電壓運行的菊鏈元件，菊鏈之間各模組可採用低價電容以降低系統成本。此外，菊鏈也可輕易延伸以容納接線盒資料擷取IC，藉此消弭對區域微處理器的需求，並促成接線盒與電池模組量測訊號之間的時序對齊。時序對齊相當重要，其能增進電源管理與校正的相關性。最後，接線盒高電壓資料擷取IC擁有電流感測功能，增加彈性，包括採用分流電阻(如圖所示)或霍爾效應電流感測器，或者兩者混用(達到冗餘配置)。

透過電流感測擷取電動車資料

上述範例中，高電壓與低電壓電池模組採用MAX17852彈性資料擷取系統。該系統能在263µs時間內量測14個電池電壓節點(或7個接地參考高電壓節點)、一個電流、4個溫度或系統電壓量測，以及完全冗餘量測引擎。另外，該系統也能在156µs內對高速ADC SAR量測引擎的所有輸入端完成輪詢。

該款高度整合電池感測器結合一個高速差動UART匯流排，執行穩健的菊鏈序列通訊，設計用來達成最高的雜訊免疫力，最多可將32個裝置串接成菊鏈拓撲。單一菊鏈就能促成接線盒與電池監控量測之間的時序對齊，包括電池電壓、匯流排線量測、電池組電壓、電池組電流、接頭電壓及溫度量測等訊號都能對齊在10µs的時差範圍內。

該系統採用ADI電池管理UART或SPI協定執行穩健通訊，並為外部裝置的控制提供I²C主控端介面。其除了經過最佳化以支援內部診斷所需的精簡功能集，還能透過嵌入式通訊支援快速警示通訊，並藉由硬體警示介面支援ASIL D與FMEA方面的安全要求。

電池電氣隔離量測

美國能源部 (TP-305-01)指明該量測電阻(單位：歐姆)大約是500乘以SAE 1766規範的電動車額定工作電壓(單位：伏特)，亦即動力電池的負(正)側與車架之間的電壓，在400V電壓時電阻為200kΩ。車架與電池正(負)側的隔離電阻RLEAK-(RLEAK+)可於如圖4所示的網路中加以偵測，結果傳至資料擷取IC上AUX輔助接腳的電壓訊號。

根據圖4的網路，RLEAK-案例中VAUX計算公式為：

...............................(1)

由此推算出：

...............................(2)

其中：

...............................(3)

圖5為RLEAK+與RLEAK-的曲線，同時顯示200kΩ RLEAK-隔離電阻產生的2.18V VAUX感測電壓，而200kΩ RLEAK+隔離電阻則產生1.08V的感測電壓。

EV電池接線盒設計影響性能

電動車必須處理高電壓與高電流。電氣連結元件的電阻、電流，以及高壓與低壓板之間的隔離電阻都必須加以監控以確保運作安全。本文探討典型電動車電池與接線盒系統的結構並闡述其複雜性，同時介紹一種新穎獨特的資料擷取IC，憑藉低雜訊、低成本、電容隔離的菊鏈通訊架構，無須配置接線盒專屬微處理器，亦促成接線盒與電池電壓量測之間的時序對齊。整合式電流感測功讓系統能夠省去霍爾效應電流感測器，而高速SAR ADC架構則能在最短時間執行多次量測。

(本文由ADI提供)