設(shè)計(jì)二輪和三輪電動(dòng)車改善空氣質(zhì)量并減少對(duì)環(huán)境的影響

電路保護(hù)、電源控制和溫度管理電路的可靠設(shè)計(jì)是長(zhǎng)期耐久性和安全性的關(guān)鍵

發(fā)展電動(dòng)二輪和三輪車與發(fā)展四輪或更大的電動(dòng)汽車一樣，對(duì)防治污染和緩解氣候變化具有至關(guān)重要的作用。與汽車和卡車相比，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的二輪和三輪車數(shù)量龐大，但相對(duì)缺乏燃料燃燒控制技術(shù)，因而會(huì)產(chǎn)生大量污染。不論是二輪或三輪電動(dòng)車還是四輪或更大的電動(dòng)汽車，它們的設(shè)計(jì)者都面臨同樣的艱巨挑戰(zhàn)，包括盡可能延長(zhǎng)兩次充電之間的行駛里程，以及提高車輛可靠性和安全性。

讓兩次充電之間的行駛里程更長(zhǎng)，這是市場(chǎng)的需求，為此設(shè)計(jì)者就必須降低電路的功耗來(lái)優(yōu)化效率。此外，市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)車輛的可靠性和安全性也有很高的要求，因而設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的電路必須對(duì)雷電和靜電放電 (ESD) 等瞬態(tài)現(xiàn)象具備良好的適應(yīng)性。

圖1所示就是電動(dòng)輕便二輪車中的各個(gè)子系統(tǒng)，以及提高其可靠性和效率的各種保護(hù)、控制和傳感元件。本文將集中探討使二輪和三輪電動(dòng)車的三大子系統(tǒng)可靠高效的建議，這三大子系統(tǒng)分別是電池管理系統(tǒng) (BMS)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU) 和車載充電機(jī)。本文的重點(diǎn)將放在保護(hù)和傳感元件以及控制元件上。保護(hù)和傳感元件可以保護(hù)這些子系統(tǒng)的電路不受過(guò)載和瞬態(tài)變化損害；控制元件則能夠盡可能地減少電力消耗并延長(zhǎng)電池續(xù)航和壽命。

圖1：二輪電動(dòng)車的子系統(tǒng)以及電路保護(hù)、控制和傳感元件

電池管理系統(tǒng) (BMS)

BMS的工作是管理電池的輸出，并保持各個(gè)電池單元的平衡；此外它還負(fù)責(zé)檢測(cè)并控制來(lái)自充電機(jī)的電能，從而保護(hù)電池。典型的BMS包括電池監(jiān)測(cè)和管理電路、電池單元保護(hù)電路和通信接口。圖2所示即為BMS的框圖。

圖2：電池管理系統(tǒng)的框圖，圖中表示了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件所在的電路

電池?cái)嚅_(kāi)裝置

部分高儲(chǔ)能電池組配備了電池?cái)嚅_(kāi)單元。這一重要系統(tǒng)可提供預(yù)充電連接、連接和斷開(kāi)負(fù)載、熔斷和電流傳感等功能。一旦檢測(cè)到過(guò)載情況，該裝置就會(huì)分?jǐn)啵瑢㈦姵亟M與負(fù)載隔離。該裝置控制著送往電機(jī)的大功率電能，故建議該裝置選用能夠承受電機(jī)和電機(jī)啟動(dòng)器所產(chǎn)生高沖擊電流的延時(shí)熔斷器，同時(shí)務(wù)必確保熔斷器動(dòng)作時(shí)具有足夠大的電阻，從而完全切斷過(guò)載電流。這里應(yīng)選用開(kāi)路電阻至少達(dá)到1MΩ的熔斷器，并且所選用的熔斷器應(yīng)為符合ISO 8820或AEC-Q規(guī)范的UL或CSA元件。市場(chǎng)上可以找到具備這些特性，并且額定電流高達(dá)500A的產(chǎn)品；如果選用預(yù)先批準(zhǔn)的元件，還可以使標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的過(guò)程進(jìn)一步提速降本。

此外，建議使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管來(lái)抑制負(fù)載突降、ESD和雷電等瞬態(tài)電壓變化，防止下游敏感電子電路受到損壞。TVS二極管可以做到以下幾點(diǎn)：

安全地吸收高達(dá)30kV的ESD沖擊，這些沖擊可能源自空氣擊穿或人體直接接觸

安全地吸收高達(dá)600W的峰值脈沖功率（可根據(jù)需要提供更高功率版本）

在1ns內(nèi)迅速響應(yīng)瞬態(tài)變化

TVS二極管有雙向和單向兩種版本。如果該二極管有可能遇到電池反向的情況，請(qǐng)選用雙向二極管產(chǎn)品。對(duì)于汽車級(jí)元件，應(yīng)選用符合AEC-Q101分立半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)并通過(guò)AEC-Q認(rèn)證的TVS二極管。

在鋰離子電池組中，設(shè)計(jì)者應(yīng)為各個(gè)電池單元獨(dú)立配備保護(hù)熔斷器（位于傳感線上），以防止因一個(gè)或一組電池單元發(fā)生短路故障而損壞整個(gè)電池組。此類熔斷器應(yīng)選擇體積小巧、動(dòng)作迅速的產(chǎn)品。具體而言，應(yīng)滿足以下要求：

額定短路電流至少達(dá)到50A

能夠承受浪涌電流，但如果電池電流超過(guò)熔斷器額定值的250%，則需在數(shù)秒內(nèi)迅速分?jǐn)?/p>

可在?55°C至+150°C的環(huán)境中工作，并且符合AEC-Q要求

采用表面貼裝封裝，從而盡可能減小PCB上的占用空間

為了能夠在正常運(yùn)行期間、充電期間或檢測(cè)到問(wèn)題時(shí)斷開(kāi)電池組與負(fù)載的連接，可以考慮選用高電流/高電壓直流接觸器式繼電器。此類繼電器可以承載高達(dá)250A的電流，額定電壓可達(dá)900V。可以考慮選用IP67密封的充氣型繼電器，以降低電弧的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，應(yīng)選用在脈沖寬度調(diào)制模式下運(yùn)行的產(chǎn)品，以便節(jié)省能源。

電池單元保護(hù)模塊

電池單元保護(hù)模塊可防止電池組過(guò)熱。對(duì)于此模塊，應(yīng)選用與電池單元熱耦合的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 傳感器來(lái)監(jiān)控電池溫度，并且應(yīng)選用玻璃封裝的密封式NTC傳感器，這樣即使在惡劣的環(huán)境條件下也能提供長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性。

I/O通信接口

I/O通信接口負(fù)責(zé)將電池的狀態(tài)傳輸給主控處理器。對(duì)于這塊電路而言，有必要根據(jù)ISO 10605的要求保護(hù)接口的數(shù)據(jù)線使之免受ESD影響，并采用TVS二極管陣列防止其他電壓瞬變的影響。此處應(yīng)按照下面的規(guī)格來(lái)選用產(chǎn)品：

明確表示符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，并且可以針對(duì)空氣擊穿放電和人體直接接觸提供至少25kV的ESD保護(hù)

提供低鉗位電壓，或具有低動(dòng)態(tài)電阻值

漏電流低，例如在正常工作條件下低于100nA

具有通過(guò)AEC-Q101認(rèn)證的證明

圖3所示即為一種TVS二極管陣列。在此例中，只需采用一個(gè)小型封裝即可保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線（例如用于CAN總線的數(shù)據(jù)線）。

圖3：一種雙端口TVS二極管陣列，用于保護(hù)數(shù)據(jù)線，使之免受任一極性的電壓瞬變損壞

電池交換電路

電池交換電路可實(shí)現(xiàn)在主電池和副電池之間進(jìn)行切換。配備兩組電池可以延長(zhǎng)兩次充電之間的行駛距離。該電路需要使用開(kāi)路電阻較高的開(kāi)關(guān)，以避免兩組電池之間出現(xiàn)意外的電流。干簧管就可以滿足這一要求，其絕緣電阻可以達(dá)到約1012Ω。為此，需要選用觸點(diǎn)容量達(dá)到200V、開(kāi)關(guān)額定電流至少達(dá)到0.5A、功率處理能力至少為10W的干簧管。

漏電流電路

高端的摩托車和踏板車會(huì)監(jiān)控車輛底盤(pán)的漏電流。如果漏電流超過(guò)預(yù)設(shè)值，繼電器就會(huì)閉合，從而向電池管理電路發(fā)送信號(hào)。為此，可以考慮選用光耦合固態(tài)繼電器。該繼電器需滿足以下幾點(diǎn)：

導(dǎo)通電阻小于10Ω

漏電流小于50nA

額定電壓和電流分別達(dá)到100V和150mA

輸入-輸出隔離至少達(dá)到1500Vrms

這些要求可以確保當(dāng)漏電流處在限制范圍內(nèi)時(shí)，繼電器能夠可靠、充分地將控制信號(hào)與電池管理電路隔離。

在這些為數(shù)不多的保護(hù)、控制和傳感元件的支持下，電池管理系統(tǒng)便可以成為電動(dòng)車輛中強(qiáng)大而可靠的一個(gè)子系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU) 是車輛的主要處理和控制單元，它負(fù)責(zé)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并處理包括電池組狀態(tài)在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，以便駕駛員了解電池組的狀況。圖4所示即為組成ECU的各個(gè)電路。

圖4：發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元/電機(jī)驅(qū)動(dòng)的框圖，圖中表示了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件所在的電路

輔助電源控制單元

輔助電源電路是一種低壓電源，負(fù)責(zé)為處理器以及其他控制開(kāi)關(guān)FET與電機(jī)動(dòng)作的電路元件進(jìn)行供電。為此，可以考慮選用高額定電流的熔斷器來(lái)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受過(guò)載電流影響，同時(shí)再選用快速動(dòng)作的熔斷器來(lái)防止各個(gè)電路因過(guò)載而損壞。此處選用的熔斷器可以參考前文對(duì)電池管理系統(tǒng)中電池?cái)嚅_(kāi)裝置的建議。元件級(jí)別的保護(hù)除了可以采用一次性熔斷器外，還可以考慮選用聚合物正溫度系數(shù) (PPTC) 可復(fù)位熔斷器。此類裝置可以在故障排除后復(fù)位到正常狀態(tài)。如果潛在臨時(shí)性故障主要源自裝配錯(cuò)誤或使用不當(dāng)，那么此類裝置就會(huì)非常有用。選用PPTC可復(fù)位熔斷器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

額定電流應(yīng)達(dá)到15A，額定電壓約為60VDC

采用表面貼裝封裝，以便節(jié)省空間并且便于自動(dòng)化PCB插入

輔助電源單元應(yīng)采用TVS二極管加以保護(hù)，使之免受ESD和電壓瞬變影響。TVS二極管應(yīng)考慮選用推薦用于保護(hù)BMS電池?cái)嚅_(kāi)裝置的產(chǎn)品。

反極性電源橋保護(hù)

反極性電源橋保護(hù)電路可以保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路免受電池與車輛電路錯(cuò)誤連接的影響。對(duì)于此類反極性保護(hù)，可以考慮選用肖特基二極管（它也可以用于DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的整流）。肖特基二極管提供低正向壓降，因而能夠減少能量損失，并且可以讓轉(zhuǎn)換器以更高頻率工作，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率。此外，工作頻率更高也意味著可以使用更小的電桿元件，從而節(jié)省成本并減少PCB占用空間。該電路中使用了開(kāi)關(guān)元件（IGBT、MOSFET），因而可能容易受到高溫故障的影響。當(dāng)FET發(fā)生阻性短路時(shí)，這種故障就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。為了避免發(fā)生這種情況，這里建議使用熱保護(hù)器，以便在發(fā)生不受控制的過(guò)熱情況時(shí)，將電路與電源斷開(kāi)。此處應(yīng)選擇可以切斷高達(dá)500A電流的元件。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中包含用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輸出電路，應(yīng)考慮使用多個(gè)MOSFET或者一個(gè)MOSFET模塊來(lái)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)。所選用的MOSFET應(yīng)具有以下特性：

低RDS(on)值，以便盡可能降低開(kāi)關(guān)功率損耗

高熱效率和快速dv/dt額定值，以便高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載入

使用柵極驅(qū)動(dòng)器可以有效的控制MOSFET。此處應(yīng)考慮選用雙輸出器件來(lái)控制高側(cè)和低側(cè)MOSFET輸出配置。此外，還應(yīng)選用具有閂鎖保護(hù)并且具備超過(guò)MOSFET dv/dt時(shí)間的快速上升/下降時(shí)間的驅(qū)動(dòng)器。市場(chǎng)上可以找到上升/下降時(shí)間小于10ns的驅(qū)動(dòng)器。

請(qǐng)務(wù)必使用數(shù)字溫度指示器來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是否過(guò)熱。圖5所示即為一種數(shù)字溫度指示器及其電阻溫度曲線。此類器件是一種聚合物溫度指示器，當(dāng)溫度達(dá)到某一閾值時(shí)，其電阻值會(huì)改變108倍。當(dāng)電阻升高時(shí)，即表示監(jiān)控的電路溫度升高，從而斷開(kāi)電機(jī)的供電；當(dāng)溫度下降到臨界關(guān)斷溫度以下時(shí)，該元件將會(huì)復(fù)位，電機(jī)供電便可恢復(fù)。此外，這里也可以選用類似于推薦用于BMS電池保護(hù)模塊的密封玻璃傳感器的NTC溫度傳感器。

圖5：熱保護(hù)其的電阻溫度曲線以及此類器件的圖片

電機(jī)

作為最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)組件，電機(jī)應(yīng)收到妥善保護(hù)，使其免受過(guò)熱、轉(zhuǎn)速過(guò)高和堵轉(zhuǎn)的損壞。這些情況只需使用兩個(gè)傳感元件即可解決。其一是NTC溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度。這里可以選用與監(jiān)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相同的產(chǎn)品。其二是霍爾傳感器/開(kāi)關(guān)，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置?；魻杺鞲衅骶哂锌梢暂敵鲭妷夯螂娏鞯陌姹?，選用最適合您的設(shè)計(jì)的輸出即可。應(yīng)選用開(kāi)關(guān)壽命較長(zhǎng)的霍爾傳感器/開(kāi)關(guān)，以便盡可能提高可靠性?；魻杺鞲衅鏖_(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)200億次的開(kāi)關(guān)操作。

I/O通信接口

I/O通信接口使ECU能夠與車輛傳感和控制電路以及電池組狀態(tài)線連接。這里可按照BMS中I/O通信接口的建議來(lái)選用TVS二極管陣列，從而保護(hù)該接口的數(shù)據(jù)線免受ESD和其他瞬態(tài)變化的影響。

ECU是電動(dòng)車輛中最關(guān)鍵的系統(tǒng)。確保該系統(tǒng)得到適當(dāng)保護(hù)至關(guān)重要。

車載充電機(jī)

車載充電機(jī)可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，從而為電池組充電提供充電電壓和電流。圖6所示為組成車載充電機(jī)的電路，以及為各個(gè)電路推薦的保護(hù)、控制和傳感元件。

圖6：車載充電機(jī)的框圖，圖中表示了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件所在的電路

輸入保護(hù)、整流和濾波

該電路與交流電源相連，因而會(huì)受到交流電源線上可能出現(xiàn)的過(guò)流狀況和電壓瞬變的影響。此處應(yīng)使用延時(shí)熔斷器來(lái)切斷電流過(guò)載，為此需確保熔斷器的額定電壓高于線路電壓。這里建議選用UL或CSA認(rèn)可的熔斷器元件，因?yàn)樗枰B接到交流線路上。要實(shí)現(xiàn)汽車級(jí)的品質(zhì)，還應(yīng)考慮選用符合ISO 8820標(biāo)準(zhǔn)或通過(guò)AEC認(rèn)證的熔斷器。

交流線路瞬變可能具有很大的能量，在這些瞬變中能夠安全吸收這些能量的元件應(yīng)安裝在電路的輸入端。對(duì)于在電壓瞬變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)盡可能降低鉗位電壓的關(guān)鍵電路而言，可以考慮以串聯(lián)的方式組合使用金屬氧化物變阻器 (MOV) 和保護(hù)晶閘管。部分MOV產(chǎn)品可以吸收高達(dá)10kA的峰值電流，工作電壓超過(guò)800VDC。它們還可以滿足AEC-Q200無(wú)源元件的質(zhì)量要求。雙向保護(hù)晶閘管可以吸收高達(dá)3kA的浪涌電流，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)納秒級(jí)。此處應(yīng)使用通過(guò)AEC-Q101認(rèn)證的晶閘管產(chǎn)品。與單獨(dú)使用MOV相比，將MOV和晶閘管串聯(lián)使用可以進(jìn)一步降低鉗位電壓。

功率因數(shù)控制電路

功率因數(shù)控制電路通過(guò)減少輸入電壓以及從電源線獲取的電流之間的相位差來(lái)提高充電機(jī)的效率，從而盡可能提高輸送到設(shè)備的實(shí)際功率，并降低可能具有更高峰值電流消耗的視在功率。對(duì)于該電路，建議選用Rds(on)值低于500mΩ的低Rds(on) MOSFET，以減少開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗。此外，還應(yīng)采用TVS二極管來(lái)保護(hù)該電路不受自感電壓瞬變（主動(dòng)鉗位）的影響，具體產(chǎn)品可選用推薦給BMS和ECU電路的TVS二極管的高壓版本。

高頻轉(zhuǎn)換器和鉗位電路

高頻轉(zhuǎn)換器和鉗位電路可將交流正弦輸入轉(zhuǎn)換為高頻方波因子。此處應(yīng)使用MOSFET盡可能提高電路效率，以便產(chǎn)生方波信號(hào)。該電路應(yīng)選用推薦用于功率因數(shù)控制電路的TVS二極管來(lái)加以保護(hù)。

輸出整流和濾波電路

輸出整流和濾波電路負(fù)責(zé)為電池組產(chǎn)生直流充電電壓和電流。此處應(yīng)選用快速恢復(fù)的高頻開(kāi)關(guān)整流二極管，以便盡可能減少電路中的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)應(yīng)選用結(jié)溫超過(guò)150°C的整流二極管，以便盡可能提高可靠性。

輸出直流保護(hù)電路

輸出直流保護(hù)電路用于將充電電壓和電流連接到電池組上。此處應(yīng)使用熔斷器來(lái)保護(hù)電路，防止因電池組或下游元件或系統(tǒng)發(fā)生短路而導(dǎo)致過(guò)載。應(yīng)選用與輸入保護(hù)電路推薦的相同類型的熔斷器。

I/O通信接口

此處與BMS和ECU一樣，應(yīng)使用與前文所述系統(tǒng)中的接口相同類型的TVS二極管陣列來(lái)保護(hù)I/O通信接口數(shù)據(jù)端口免受瞬態(tài)變化影響。瞬態(tài)保護(hù)有助于防止處理器因瞬態(tài)過(guò)載而出現(xiàn)災(zāi)難性故障。

輸入保護(hù)和濾波

通過(guò)輸入保護(hù)和濾波，可以對(duì)充電機(jī)的輸出進(jìn)行控制。該電路應(yīng)使用TVS二極管進(jìn)行保護(hù)。選用TVS二極管時(shí)，應(yīng)注意以下特性：

30kV額定ESD電壓，包括空氣擊穿放電和直接人體接觸

1kA瞬態(tài)浪涌保護(hù)

此處應(yīng)選用通過(guò)AEC-Q101認(rèn)證的元件。如果PCB空間緊張，則可以選用節(jié)省空間的表面貼裝產(chǎn)品。

二輪和三輪電動(dòng)車的安全標(biāo)準(zhǔn)

請(qǐng)務(wù)必留意二輪和三輪電動(dòng)車必須遵守的國(guó)家和國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就解決標(biāo)準(zhǔn)的要求，就可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。務(wù)必確保設(shè)計(jì)定義中包含目標(biāo)市場(chǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。

表1：二輪和三輪電動(dòng)車適用的國(guó)家和國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)受保護(hù)和高效電路的價(jià)值

通過(guò)使用推薦的保護(hù)、控制和傳感元件，您可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)所需的可靠性。您的設(shè)計(jì)將能抵御過(guò)流狀況和瞬時(shí)過(guò)載；您可以運(yùn)用制造商的應(yīng)用專長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些保護(hù)措施，并節(jié)省設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。應(yīng)用工程師可以幫助選擇元件，并提供有關(guān)適用安全標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性指導(dǎo)。

審核編輯：郭婷