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Robert LeBlanc指出，Volt軟件內容有1000萬行代碼，超過了據說飛行美國DOD F-35閃電2型聯合作戰飛機的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。(UBM TechInsights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。(松下公司提供)

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。