【導讀】汽車(chē)市場(chǎng)分析師預測，到 2025 年，高端汽車(chē)將包含超過(guò)6000美元的電子元件。大多數這些先進(jìn)的電子產(chǎn)品將用于越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē) (EV)中。為了確保穩健、可靠和安全的性能，必須保護車(chē)輛電子設備免受電流過(guò)載、靜電放電 (ESD) 和瞬態(tài)過(guò)載的影響。電池組是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的來(lái)源，也是汽車(chē)的關(guān)鍵、高成本部件。
汽車(chē)市場(chǎng)分析師預測，到 2025 年，高端汽車(chē)將包含超過(guò)6000美元的電子元件。大多數這些先進(jìn)的電子產(chǎn)品將用于越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē) (EV)中。為了確保穩健、可靠和安全的性能，必須保護車(chē)輛電子設備免受電流過(guò)載、靜電放電 (ESD) 和瞬態(tài)過(guò)載的影響。電池組是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的來(lái)源，也是汽車(chē)的關(guān)鍵、高成本部件。
電動(dòng)汽車(chē)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(gè)電池組將包括大約20個(gè)并聯(lián)串聯(lián)組合的鋰離子電池模塊。每個(gè)制造商都有自己的專(zhuān)有模塊和電池組設計，容量從 35 到 100 千瓦時(shí)不等。
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(shí)的能量，因此安全性是一個(gè)主要問(wèn)題。例如，一個(gè)電池組件中的短路會(huì )消耗大量功率并迅速發(fā)熱。尺寸合適的電流中斷裝置和瞬態(tài)過(guò)載保護對于避免對車(chē)輛電子設備造成災難性破壞以及對車(chē)輛乘員的潛在傷害至關(guān)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(tài)傳輸到主車(chē)輛處理器的通信電路組成。
將單元的每條檢測線(xiàn)熔斷以進(jìn)行過(guò)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(guò)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(chē)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(lèi)型的瞬變的影響，我們建議使用瞬態(tài)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(tài)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(chē)級資質(zhì)的版本。
雙向保護 ESD 二極管的示例示意圖，由兩個(gè)陽(yáng)極到陽(yáng)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(guò)流和瞬態(tài)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(xiàn)應具有 ESD 保護。ESD可以在組裝過(guò)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。
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(xiàn)路之前吸收能量。 （參考：AQ24CANA TVS 二極管陣列）
整個(gè)電池組組件應該有一個(gè)保險絲以防止電流過(guò)載。由于電池在 400 V 以上工作，我們建議使用額定電壓超過(guò)電池輸出電壓并能夠承載適當電流容量的延時(shí)保險絲。此外，保護元件應符合汽車(chē)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(kāi)關(guān)并將其狀態(tài)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(kāi)接觸器的功率 MOSFET；并且，MOSFET 必須快速切換。我們推薦專(zhuān)門(mén)設計用于控制 MOSFET 的柵極驅動(dòng)器芯片。柵極驅動(dòng)器的上升時(shí)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(chē)輛微處理器。它需要類(lèi)似于其他電路塊的電流過(guò)載和瞬態(tài)電壓保護。該電路包含 CAN 接口。數據線(xiàn)完整性對于未損壞的數據傳輸至關(guān)重要。我們建議使用 ESD 二極管保護這些線(xiàn)路。幸運的是，一個(gè)組件可以保護高線(xiàn)和低線(xiàn)。
帶有推薦保護組件的電池模塊框圖，用于電池單元的簡(jiǎn)單串聯(lián)。
我們已經(jīng)討論了具有高額定電壓的主保險絲模塊的輸出。每個(gè)單獨的電池包也應該融合。低壓熔斷器可用于此目的。每個(gè)模塊都有自己的微處理器來(lái)監控電池狀態(tài)并將其報告給主控制器。因此，有線(xiàn)接口應使用 TVS 二極管陣列來(lái)保護 CAN 總線(xiàn)。
電池分配單元為各種車(chē)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(gè)負載免受電流過(guò)載的影響，并將每個(gè)負載與所有其他負載隔離。這種做法可以保護每個(gè)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(dòng)系統斷開(kāi)。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(shí)產(chǎn)生的高浪涌電流的影響。
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(huì )發(fā)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(xiàn)：混合保護和斷開(kāi)模塊。該解決方案結合了電流感應、保險絲和點(diǎn)火系統，旨在確保電池與負載斷開(kāi)連接。點(diǎn)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(kāi)并熄滅任何電弧。一個(gè)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(guò)載保護。這項新技術(shù)最大限度地減少了對電池的損壞。
簡(jiǎn)而言之，電動(dòng)汽車(chē)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(gè)模塊和單個(gè)電池需要過(guò)流和過(guò)載保護。監測和控制電子設備應加強瞬態(tài)電壓保護。 CAN 數據線(xiàn)應具有 ESD 和電壓瞬變保護，以確保電池組與主要車(chē)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(fā)生。
（來(lái)源：Littelfuse公司，作者：James Colby）
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