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電動汽車電池系統都需要哪些保護?

2021-08-09 來源:EEWORLD

本文作者:Littelfuse公司James Colby


汽車市場分析師預測,到 2025 年,高端汽車將包含超過6000美元的電子元件。大多數這些先進的電子產品將用于越來越多的電動汽車 (EV)中。為了確保穩健、可靠和安全的性能,必須保護車輛電子設備免受電流過載、靜電放電 (ESD) 和瞬態過載的影響。電池組是電動汽車動力的來源,也是汽車的關鍵、高成本部件。


電動汽車電池包含大量能量。這些電池組包含大量 4.2 V 鋰離子電池,通常在 400–500 V 范圍內運行。一個電池組將包括大約20個并聯串聯組合的鋰離子電池模塊。每個制造商都有自己的專有模塊和電池組設計,容量從 35 到 100 千瓦時不等。


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具有推薦保護和控制組件的通用儲能系統的典型電路系統。


由于 400-500V 電池組可容納數千瓦時的能量,因此安全性是一個主要問題。例如,一個電池組件中的短路會消耗大量功率并迅速發熱。尺寸合適的電流中斷裝置和瞬態過載保護對于避免對車輛電子設備造成災難性破壞以及對車輛乘員的潛在傷害至關重要。


典型的 EV 能量存儲系統由電池組、大功率電流中斷元件、電池控制電路和將電池狀態傳輸到主車輛處理器的通信電路組成。


將單元的每條檢測線熔斷以進行過流保護被認為是最佳的解決方案。我們建議使用快速熔斷器以快速響應過電流。尋找表面貼裝保險絲以在模塊 PC 板上占用最少的空間。此外,尋找符合汽車堅固性標準并確保溫度范圍為 -55 至 125°C。為了保護電池組免受系統引起的瞬變、ESD 和其他類型的瞬變的影響,我們建議使用瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管。表面貼裝型號可以吸收高達 1500 W 的瞬態峰值脈沖功率或高達 200 A 的浪涌電流。它們還可以安全地承受高達 30 kV 的 ESD 沖擊。并且建議尋找具有 AEC-Q101 汽車級資質的版本。


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雙向保護 ESD 二極管的示例示意圖,由兩個陽極到陽極連接的 TVS 二極管組成。 (參考:AQxxC-01FTG TVS 二極管陣列)


我們還建議設計包括用于電池平衡和控制電路的過流和瞬態電壓保護。這樣做可確保所有鋰離子電池對為負載供電的貢獻大致相同。


此外,將模塊連接在一起的通信總線應具有 ESD 保護。ESD可以在組裝過程中引入,并可能造成組件的災難性故障。我們建議使用對鉗位瞬變具有超快響應的雙向 ESD 二極管。


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雙通道 ESD 二極管陣列的示例原理圖,可以在任何極性的瞬變損壞 CAN 線路之前吸收能量。 (參考:AQ24CANA TVS 二極管陣列)


整個電池組組件應該有一個保險絲以防止電流過載。由于電池在 400 V 以上工作,我們建議使用額定電壓超過電池輸出電壓并能夠承載適當電流容量的延時保險絲。此外,保護元件應符合汽車可靠性標準(ISO-8820、AEC-Q 等)。


控制和保護電路 (C&PC) 操作接觸器主開關并將其狀態提供給電池系統控制器。C&PC 必須快速運行。該電路通常包含用于打開接觸器的功率 MOSFET;并且,MOSFET 必須快速切換。我們推薦專門設計用于控制 MOSFET 的柵極驅動器芯片。柵極驅動器的上升時間可以低于 10 納秒,并且對閂鎖情況具有很高的免疫力,從而確保 MOSFET 高效運行。


電池系統控制器將電池組上的數據提供給主要的車輛微處理器。它需要類似于其他電路塊的電流過載和瞬態電壓保護。該電路包含 CAN 接口。數據線完整性對于未損壞的數據傳輸至關重要。我們建議使用 ESD 二極管保護這些線路。幸運的是,一個組件可以保護高線和低線。


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帶有推薦保護組件的電池模塊框圖,用于電池單元的簡單串聯。


我們已經討論了具有高額定電壓的主保險絲模塊的輸出。每個單獨的電池包也應該融合。低壓熔斷器可用于此目的。每個模塊都有自己的微處理器來監控電池狀態并將其報告給主控制器。因此,有線接口應使用 TVS 二極管陣列來保護 CAN 總線。


電池分配單元為各種車輛負載提供電池電壓。我們建議采用高壓熔斷器和高壓/大電流接觸器的拓撲結構,以保護單個負載免受電流過載的影響,并將每個負載與所有其他負載隔離。這種做法可以保護每個負載免受任何其他負載的故障。此外,請考慮添加接觸器以提供對電池組的初級保護。主接觸器將電池與各種負載和電力傳動系統斷開。預充電接觸器(與電阻器配對)提供了一條路徑,可將直流鏈路電容器初始充電至電池電壓的 90%。這種接觸器-電阻器組合可保護電容器免受最初為電池組供電時產生的高浪涌電流的影響。


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帶有推薦保護組件的電池分配單元。


盡管放置了保護組件,但電池組可能會發生內部短路或受到外部短路的影響。如何控制傷害?考慮加入最后一道防線:混合保護和斷開模塊。該解決方案結合了電流感應、保險絲和點火系統,旨在確保電池與負載斷開連接。點火系統可確保低至 1 毫秒的快速響應,并從主電池匯流條上沖出一段以確保電路斷開并熄滅任何電弧。一個獨立模塊提供高中斷電流能力和快速檢測和響應。負載受到短路電流過載保護。這項新技術最大限度地減少了對電池的損壞。


簡而言之,電動汽車電池組架構的復雜性表明需要多級電路保護。在模塊級別,整個模塊和單個電池需要過流和過載保護。監測和控制電子設備應加強瞬態電壓保護。 CAN 數據線應具有 ESD 和電壓瞬變保護,以確保電池組與主要車輛微處理器之間的通信不受干擾。結合這些保護拓撲有助于消除電池組故障的發生。


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