純電動和混合動力車電子系統(tǒng)電路保護的特殊要求資料下載

雖然混合動力和電動車比傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車更節(jié)能，但由于電子系統(tǒng)的顯著增加需要新的電路保護概念。高可靠性（如電池管理或傳輸逆變器的惡劣的環(huán)境）需要采用特定的技術。 伴隨著每一代新汽車的問世，電子系統(tǒng)的數(shù)量也在不斷增加。不僅是因為對高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）或互聯(lián)信息娛樂系統(tǒng)的需求不斷增長，如今即使是入門級汽車也整合了高端汽車中的先進電子系統(tǒng)，包括安全、遠程信息處理和互聯(lián)。對于這些電子系統(tǒng)，在設計階段的早期就將保護考慮進來是非常重要的。不幸的是，在系統(tǒng)的設計階段，電路保護往往被低估，甚至被忽略了。電路保護為何如此重要呢？不僅是因為它有助于電子設備保持其設計功能，還可以增強可靠性；在許多情況下，乘員安全是保護生命的最重要的方面。電氣危害的主要來源是來自人體的 ESD（如在連接智能手機時觸摸 USB端口），以及在汽車制造或進入維保時來自組裝或維修人員的 ESD。來源于電路中的負載切換瞬變，以及雷電引起的（通過磁場進入車輛電子設備的）浪涌等。過載和短路電流與汽車內(nèi)的電源有關，需要使用保險絲或自復式保護器件（如 PPTC）加以保護。 立法，正將環(huán)境保護的需要轉(zhuǎn)化為提高燃油效率的更強制性的法規(guī)。歐盟將在 2021 年將二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地區(qū)，針對二氧化碳排放量也有非常相似的規(guī)定。所有汽車制造商遵行這些法規(guī)的唯一途徑是在其產(chǎn)品組合中推出混合動力和電動車型。如此會導致越來越多的電子設備被采用，特別是高壓/大電流應用（逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、充電器等等）。因此，針對這些要求的特定的電路保護解決方案的需求在不斷增加。 然而，設計師在尋找合適的技術或產(chǎn)品、滿足這種新汽車系統(tǒng)的應用要求上卻往往面臨著挑戰(zhàn)。 本文將重點強調(diào)電路保護的特殊要求，并介紹在這一領域當前和未來的技術對混合動力汽車中主要的大功率應用。 電池管理系統(tǒng) 純電動和混合動力車需要便攜式儲能來為電動動力組件提供電力。最根本的問題是，電能無法被儲存，只能以化學形式（如電池和燃料電池）或機械形式存在，需要通過使用電能轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換成電的形式。關鍵在于以最小的封裝和環(huán)境污染并盡可能有效地進行轉(zhuǎn)換（即具有高功率密度和能量密度的轉(zhuǎn)換）。尋找能量儲存和轉(zhuǎn)換裝置的過程是艱巨的，從汽車動力到車輪的整個能量轉(zhuǎn)換過程都必須是最高效的。 EV/HEV 的電池的理想特性有： 高功率/能量密度，以減少空間和重量。 高電流以降低充電時間。 長壽命和循環(huán)壽命。 良好的電池平衡和電池組管理，以提高效率和續(xù)航。 合理的成本。 電池是由單個的電池單元組成的，它們將化學能轉(zhuǎn)化為電能。多個這樣的電化學電池單元串聯(lián)起來，形成一個電池模塊，以提供一定的電壓。每個單位電池單元的電壓取決于電池的化學性質(zhì)；串聯(lián)模塊的電池單元數(shù)量取決于所需的總電壓。 EV/HEV 中使用的電池是一個電池組，由多個電池模塊的串聯(lián)和并聯(lián)組合。串聯(lián)和并聯(lián)組合是基于所需的直流側電壓和電池的能量容量配置的。串聯(lián)連接產(chǎn)生所需的電壓，并聯(lián)連接為電池組的最小運行時間提供所需的容量。此外，電池組配備了充電平衡和均衡、以及電池組管理電路。電池組管理電路確保了可靠性和對過充電、過放電、短路和熱過載的保護。電池組管理電路能夠?qū)﹄姵氐臓顩r和故障進行報告。 圖 1：鋰離子電池系統(tǒng)。電池單元及電池組 此外，還需要對電池管理系統(tǒng)本身加以保護，使這一重要的系統(tǒng)在所有條件下（組裝、維護和正常運行）都安全可靠。 圖 2 所示的是包含主要模塊的高壓電池系統(tǒng)。 圖 2：高壓電池系統(tǒng)：構建模塊及其保護 主要保護需要為 1、傳感線路保險絲可以保護防止傳感線路短路：根據(jù)電池系統(tǒng)，會安裝多達 200 條傳感線路來測量每個電池單元的電壓，以確定它們的充電狀態(tài)和狀況。從理論上講，根據(jù)故障模式，在隨機傳感線路之間會發(fā)生短路。潛在的故障：交通事故或裝配問題，導致冷卻劑或其他液體的泄漏，從而產(chǎn)生導電沉積。 電路保護器件的電壓范圍取決于電池配置，對于中斷額定值也是一樣。此外，傳感線路保險絲應具有較低的溫度降額、低耐寒性、長期穩(wěn)定性，能夠應對溫度周期和振動，并且具有較小 體積。 2、電池監(jiān)測 IC 傳感線路輸入過電壓保護：保護電池監(jiān)測的低壓（5V）輸入端子免受瞬變的影響。在電池組的裝配和維護過程中會發(fā)生熱插拔瞬變；而充電器、逆變器和電機驅(qū)動器等車輛系統(tǒng)，通過傳導或通過鄰近電纜的感應耦合，會誘發(fā)其他瞬變。 3、菊鏈 I/F（如熱插拔、ESD）的過電壓/ESD 保護。電路保護器件應具有較低的電容（保持信號完整性，最大程度降低數(shù)據(jù)丟失）、低鉗位電壓、小形式因數(shù)，以及 10 到 數(shù)百 W 的功率容量。 4、電池串兩端的高壓 TVS 可提供瞬變保護（如熱插拔） 圖 3：傳感線路和電池監(jiān)測保護 5、Overvoltage CAN 總線 I/F 的過電壓/ESD 保護：CAN 總線是用于將電池監(jiān)測控制器與更高級的 BMS 控制器（然后與汽車中的其他控制器通信）連接起來的典型的接口。在汽車電池系統(tǒng)的密集環(huán)境中，CAN 線路會遭受由 ESD（例如在裝配和維護的過程中）導致的過電壓應力或其他汽車系統(tǒng)通過偶合或傳導而引起的瞬變。 6、 用于電力線保護的高壓/大電流保險絲：高壓/大電流主保險絲是汽車大功率系統(tǒng)中電流過大或短路事件情況下確保安全性的最后一道防線。合適的保險絲需要與系統(tǒng)下游的其他保險絲（例如接線盒）進行良好的協(xié)調(diào)。保險絲需要能夠承受幾千安培的電流，并且能夠長時間持續(xù)傳導大量的電能。 圖 4：微控制器和電力線保護 車載充電器 圖 5 是電動和插電式混合動力汽車中使用的典型車載電池充電器的框圖。 圖 5：電池充電器電路的拓撲結構 該電路由輸入端的橋式整流器以及其后的功率因數(shù)校正（PFC）電路和全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器組成。 主要保護需要為 圖 6：橋式整流器、功率因數(shù)校正（PFC）和全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換和保護器件 1、交流輸入保險絲：需要能夠在高達 250V 單相交流電壓下高電流（例如 32A）的汽車級過電流保護保險絲。高分斷能力以及承受振動、浪涌瞬變和熱循環(huán)的能力是關鍵。 2、交流輸入瞬變保護：由于直接連接到電網(wǎng)，需要使用 MOV 提供瞬變（8/20μs）保護； 所用的 MOV 需要能夠在高溫（125°C）下運行，并且提供交流線路的工作電壓。符合 AEC-Q200 標準要求是必要條件。 3、直流側電容器保護：即使直流側電容器的目的是過濾某些瞬變，但是在某些情況下仍然需要保護；快速汽車級 TVS 二極管可以保護這些昂貴的部件。 4、a. 柵極過電壓保護：以前使用的是齊納二極管，但是這些器件不具有TVS 二極管的快速響應、更高的浪涌能力和可靠性等優(yōu)點。