电动汽车常被喻作“归来的孩子”，因为这项技术在多年前进入市场后便一直沉寂，直至最近才再次活跃起来。其实，电动汽车早于1835年首次于美国出现，到1899年，纽约市接近90%的出租车都是由电力驱动。然而，当电力启动器和内燃机变得完善时，电动汽车的使用就迅速衰退。随着如今对环境保护的关注，由燃烧碳氢化合物造成的污染，加之汽油成本高升的影响，再次引起了人们对电动汽车或混合驱动汽车的兴趣，同时也加促了这项技术的发展进程。

其中一项发展中的技术是固态继电器 (SSR)，这是监测电动汽车电池电压的理想元件。以往，这类应用使用的是机械继电器或干簧继电器。机械继电器的功耗大，而且由于机械触头磨损使到寿命较短，并需要等待时间来让继电器触头稳定或去弹跳。干簧继电器能将磨损和弹跳问题降至最少，但在需要高耐压时成本太高。固态继电器便能够提供另类的解决方案，功耗较少之外还能避免触头磨损和弹跳的问题，而且成本也低于干簧继电器。

监测电动汽车电池

电动汽车的推进系统包括电动机、驱动电子线路、机械传动、车辆控制/功率管理、充电系统，以及电池（图1）。每个部分的性能对于车辆的运行都非常重要。电动汽车的长期性能很大程度上取决于如何维持电池和电池充电系统的良好效能。

今天，电动汽车使用铅酸、NIMH、锂离子、锌气、氢燃料电池或其它特殊化学物质作为电源。决定这些电源寿命的一般做法是管理其充电状态和充电速率。充电速率可以通过测量电池的充电电流、电池温度和接线端电压来确定。

图1　典型电动汽车结构图(略)

电动汽车或混合汽车的电池系统是由75至150个2V电池单元串联而成。这种串联连接方式可产生150至300V的电压，因而增加了测量每个电池接线端电压的难度。高电压排除了在每个电池接线端上跨接标准差分运算放大器的应用。每个电池电压的测量需要使用切换网络，用于连接电池串中每个电池两个接线端子之间的隔离或浮动A/D转换器，并需要切换系统将该"电压表"依次跨接到150个电池上。

固态继电器阵列 + 微控制器可解决问题

使用固态继电器阵列可轻易实现电池对电池的测量隔离，以及电池和控制电路之间的隔离。图2所示的功能框图是电动汽车电池系统的一个示例。电池系统由150个2V电池串接而成。这种配置可提供300V的组合电压。测量这种直流高压需要使用隔离电压测量系统，可由微控制器隔离电压表和隔离开关控制器来实现。

图2　300V/150隔离电池监测器(略)


SSR阵列

在本例中，电池测量系统由151个飞兆半导体的HSR412固态继电器开关阵列组成，可提供400V的关态闭锁电压。每个继电器均为单刀单掷 (SPST)、常开(NO)光触发开关。这些继电器使用少至3mA或5mW的LED驱动器电流驱动，其低启动功耗特性可省去继电器驱动器IC的使用。

测量电池电压的第一步是将隔离电压表跨接在电池上，请仔细观察图2来了解实现方法。隔离电压表的输入与双线测量通路连接。该总线的接线端标有A和B。各电池单元上的测试点由SSR(N)和SSR(N+1)测试，这里(N)是当前被测试电池的编号。

第1号电池的测量由闭合SSR1和SSR2完成，并保持其它149个继电器开路。闭合两只SSR可通过SSR(1)的输出将1号电池的电源正与绝对转换器的节点"A"连接，通过SSR(2)将电池的电源负与节点"B"连接。第2个电池通过打开SSR(1)，并在SSR(2)保持开的状态下闭合SSR(3)来测量。这样依次通过SSR(2)的输出将2号电池的电源正与节点B连接，通过SSR(3)的输出将电池的电源负与节点A连接。然后重复该过程，直到测完所有电池。这时，电压表返回至1号电池并重新开始测量过程。

表1所示为测量各个电池时A和B线的交变极性。要测量电池(N)，SSR(N)和SSR(N+1)各自接通电压，所有其它SSR断或开路。测量线的交变极性要求总线之间的绝对值转换器和微控制器的A/D输入相加。

寻址SSR

测量顺序是由微控制器(MCU)控制的。要测量某个电池，MCU会发出一个与被测电池相对应的8位数字地址。该地址被传到由11个74HC154多路转换器组成的解码区。数据通过高速HCPL2631光电耦合器的8信道阵列发送。光电耦合器用来提供300V电池电压和底板接地之间的共模电压隔离。HCPL2631光电隔离器的双信道密度能将区内的元件数量减少至4。所有电池均会每3ms寻址一次，这是HSR412 SSR接通和断开所需的时间。当电池被寻址后600us，即会进行电池电压测量。SSR的接通时间小于500us，这会给MCU的10位A/D转换器留下100us的访问时间。个别SSR的接通和断开时间之和与电池数相乘，便得出循环时间。使用HSR412时，测量150个电池的时间少于450ms。

300V 共模电压

当测量某个电池时，Vn到V(n+1)通路电压约为2V，这是差模电压。Vn到V(n+1)电压至底板接地在300V至2V范围内，视乎被测电池而定。HSR412的400V关态锁闭电压很容易应付这种高300V 的共模电压。切换阵列控制电路也必须能适应这300V的共模电压。SSR轻易地解决了这个问题。LED和SSR开关之间的隔离电压为4KV(RMS)，这对于300V系统已经足够。对应300V共模电压须要使用隔离DC/DC转换器为微控制器供电。

将电池数据发送至车辆控制计算机

MCU记录电池电压的绝对值，并将该值和电池编号保存在板上存储器中。整个测量周期结束时，可对数据加以整理，以符合标准汽车串行总线格式。例如CAN总线。一经整理后，数据会立刻经由双向光隔离链路发送至车辆控制计算机。该链路由两个高速HCPL-0600逻辑兼容光电耦合器构成。数据在收到并被确认后，便会重复整个测量循环。

表1　测量各个电池时A线和B线的交变极性（略）


总结

实时监测电池在电动汽车或混合汽车是非常重要的参数。在测量系统中使用光学耦合SSR，可保证在高共模电压的情况下获得高测量可靠性和信号完整性。固态继电器解决方案消除了使用机械继电器解决方案时所遇到的触头磨损和弹跳问题。个别电池电压的健康状态，可为驾驶者提供关于剩余电量和行驶距离的第一手信息。