電動汽車 (BEV) 和插電式混合電動汽車 (PHEV) 依靠串聯(lián)的鋰離子電池，為牽引電機提供所需的充分電壓。對于續(xù)航里程有限的輕度混合動力汽車而言，這些高電壓 (HV) 電池組的電壓范圍可以從 48V 到大約 100V，而對于續(xù)航數(shù)百公里的電動汽車，電壓范圍最高可達數(shù)百伏。下一代電動汽車和卡車將使用 800V 或更高電壓的電池組，以實現(xiàn)更長的續(xù)航里程而無需頻繁充電，同時能夠在幾分鐘內(nèi)完成超快速充電（較高的電壓意味著充電電流較低，因此電池散熱量更少，電池也就能夠接受更多的充電功率）。由于每個電動汽車電池單元在充滿電時可以產(chǎn)生大約 3.7V 至 4.2V 的標稱電壓，因此一個 800V 電動汽車電池將需要大約 240 個串聯(lián)的電池單元。

高電壓(HV)電池組

出于實際考慮，最好將電動汽車的電池放在幾個獨立的電池包中，每個電池包包含 6 至 24 個電池單元。較小尺寸的電池包可以最大限度地利用不規(guī)則尺寸的電動汽車電池外殼中的可用空間，這樣的電池艙能夠適配典型的電動汽車。使用電池包還可以在選擇并聯(lián)/串聯(lián)組合時提供更多自由度，以創(chuàng)建適用于不同牽引電機驅(qū)動器的不同電壓/電流配置。此外，如果單個電池單元出現(xiàn)故障，則只會影響眾多電池包中的一個，電動汽車的電池仍然可以正常工作。

電池單元平衡

電池單元之間的電壓和能量容量存在輕微差異，因此在為電動汽車充電時，如果簡單地將所有電池單元串聯(lián)起來，會造成電池單元間的不平衡，這樣一來，有些電池單元可能已經(jīng)充滿電，而其他電池單元仍需更多電充滿。電池單元如果過度充電，可能會過熱，這可能會損壞電池單元和整個電池包。最壞的情況就是電池包可能會起火。為避免這種情況，使用電池單元監(jiān)控 IC 來單獨監(jiān)控和控制充電（和放電）配置，確保所有電池單元在不受欠壓、過電壓或過溫條件損害的情況下充分利用其容量。在充電過程中，可以繞過那些已充滿電的單個電池單元，以便電池組中的其他電池單元可以繼續(xù)充電。這種平衡過程會一直持續(xù)，直至所有電池單元都充滿電，且電量相等。在放電過程中，同樣的平衡電路可以確保所有電池單元均等放電。

電池管理系統(tǒng)

電動汽車的電池包通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合在一起，形成所需的電動汽車電池電壓，并通過通信總線與中央電池管理系統(tǒng) (BMS) 通信，該通信總線通常是汽車行業(yè)中普遍使用的 CAN 總線。BMS 監(jiān)控整體高電壓 (HV) 電池組的充電和放電情況，并計算電池組的充電狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH)。該系統(tǒng)還監(jiān)控每個電池包的電流、電壓和溫度，以確保安全工作。隨著高電壓電池中電池單元數(shù)量的增加，需要收集和處理的數(shù)據(jù)量也在增加，但系統(tǒng)循環(huán)時間的要求保持不變。CAN 總線必須以高數(shù)據(jù)速率（高達 25 Mbps）和低傳播延遲 (100 – 50ns) 運行。

安全隔離

所有電動汽車都必須配備機械安全開關(guān)或接觸器，以便在緊急情況下斷開高電壓電池連接。如果開關(guān)與電池的高電壓輸出串聯(lián)放置，那么在故障情況下，電池組中的電池包之間可能仍會有足夠的電流流動，從而引發(fā)火災(zāi)，因此通常將其放置在電池組中間。這種并不常見的布局（圖 1）最大限度地提高了整體安全性，但需要隔離通信線路來確保電流無法通過數(shù)據(jù)總線連接繞過安全開關(guān)。

圖 1: 帶有隔離數(shù)據(jù)總線的電池組

通過隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器提高容錯能力

大多數(shù)電池單元平衡 IC 都包含一個內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器，使用電池電壓的同時為 IC 和數(shù)據(jù)通信端口的隔離側(cè)供電，而 BMS 控制器則為非隔離側(cè)供電（如圖 1 中的紅色線跡所示）。

然而，由于高電壓電池組由許多以并聯(lián)/串聯(lián)配置排列的電池包組成，使用隔離型 CAN 總線收發(fā)器單獨隔離每個電池串通信總線可以提高系統(tǒng)可靠性。在這種情況下，隔離型 CAN 總線側(cè)也需要隔離電源（圖 2）。

圖 2:并聯(lián)電池組的獨立隔離電源和總線連接

RECOM 提供了一款專為隔離總線收發(fā)器應(yīng)用設(shè)計的隔離式 5 V 對 5 V 轉(zhuǎn)換器模塊，型號為 R05CTE05S。該模塊采用緊湊型 16 SOIC SMD 封裝，提供 1 W 的功率，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，非常適合安裝在電池艙內(nèi)。隔離等級為 3 kVDC/1 min，這意味著該模塊可以輕松應(yīng)對 800 V 或更高的電池組電壓，并且隨著電動汽車電池制造商不斷尋求改進其產(chǎn)品，可適應(yīng)未來任何新的電動汽車電池技術(shù)發(fā)展。為提高系統(tǒng)的容錯能力，輸出提供保護措施，可以防止連續(xù)短路、過電流和過溫。欠壓鎖定功能意味著轉(zhuǎn)換器只有在電源電壓超過 3.3 V 時才會啟動，避免了 BMS 系統(tǒng)在啟動過程中發(fā)生數(shù)據(jù)損壞問題。

通過隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器節(jié)省成本

雖然市場上提供帶有內(nèi)置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的隔離 CAN 總線收發(fā)器，但成本比非隔離式版本更昂貴，且可供選擇的供應(yīng)商也較少。將數(shù)字隔離器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊和非隔離式收發(fā)器組合使用，是一種構(gòu)建隔離型 CAN 總線接口更為靈活且經(jīng)濟的方案（圖 3）。雖然該解決方案需要使用更多元器件，但供應(yīng)商的選擇范圍更廣，總擁有成本 (TCO)也可以更低。

圖 3:"離散”隔離型 CAN 總線接口解決方案

電動汽車車主經(jīng)常問的一個問題是：“電動汽車電池能用多久？”電動汽車電池管理系統(tǒng)最重要的功能之一是通過平衡各個電池單元的充電和放電電流、繞過缺陷電池單元，并確保插電式電動汽車的電池組不會意外過度充電或經(jīng)歷十分嚴重的深度放電，從而延長電池組的使用壽命。每個電動汽車電池包中還內(nèi)置了熱敏電阻，以進行適當?shù)碾姵厣峁芾恚驗闇囟冗^高或過低的情況同樣會嚴重影響電池壽命。然而，如果電動汽車電池與電池管理系統(tǒng)之間缺乏持續(xù)且可靠的通信，就無法保證電池的安全。因此，RECOM 的 RxxCTxx 系列產(chǎn)品中的隔離部分已經(jīng)經(jīng)過時間依賴性介電擊穿 (TDDB) 測試，預(yù)計絕緣壽命超過 600 年。

審核編輯：湯梓紅