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电动汽车电池系统都需要哪些保护?

汽车市场分析师预测,到 2025 年,高端汽车将包含超过6000美元的电子元件。大多数这些先进的电子产品将用于越来越多的电动汽车 (EV)中。为了确保稳健、可靠和安全的性能,必须保护车辆电子设备免受电流过载、静电放电 (ESD) 和瞬态过载的影响。电池组是电动汽车动力的来源,也是汽车的关键、高成本部件。

汽车市场分析师预测,到 2025 年,高端汽车将包含超过6000美元的电子元件。大多数这些先进的电子产品将用于越来越多的电动汽车 (EV)中。为了确保稳健、可靠和安全的性能,必须保护车辆电子设备免受电流过载、静电放电 (ESD) 和瞬态过载的影响。电池组是电动汽车动力的来源,也是汽车的关键、高成本部件。

电动汽车电池包含大量能量。这些电池组包含大量 4.2 V 锂离子电池,通常在 400–500 V 范围内运行。一个电池组将包括大约20个并联串联组合的锂离子电池模块。每个制造商都有自己的专有模块和电池组设计,容量从 35 到 100 千瓦时不等。

电动汽车电池系统都需要哪些保护?

具有推荐保护和控制组件的通用储能系统的典型电路系统。

由于 400-500V 电池组可容纳数千瓦时的能量,因此安全性是一个主要问题。例如,一个电池组件中的短路会消耗大量功率并迅速发热。尺寸合适的电流中断装置和瞬态过载保护对于避免对车辆电子设备造成灾难性破坏以及对车辆乘员的潜在伤害至关重要。

典型的 EV 能量存储系统由电池组、大功率电流中断元件、电池控制电路和将电池状态传输到主车辆处理器的通信电路组成。

将单元的每条检测线熔断以进行过流保护被认为是最佳的解决方案。我们建议使用快速熔断器以快速响应过电流。寻找表面贴装保险丝以在模块 PC 板上占用最少的空间。此外,寻找符合汽车坚固性标准并确保温度范围为 -55 至 125°C。为了保护电池组免受系统引起的瞬变、ESD 和其他类型的瞬变的影响,我们建议使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。表面贴装型号可以吸收高达 1500 W 的瞬态峰值脉冲功率或高达 200 A 的浪涌电流。它们还可以安全地承受高达 30 kV 的 ESD 冲击。并且建议寻找具有 AEC-Q101 汽车级资质的版本。

电动汽车电池系统都需要哪些保护?

双向保护 ESD 二极管的示例示意图,由两个阳极到阳极连接的 TVS 二极管组成。 (参考:AQxxC-01FTG TVS 二极管阵列)

我们还建议设计包括用于电池平衡和控制电路的过流和瞬态电压保护。这样做可确保所有锂离子电池对为负载供电的贡献大致相同。

此外,将模块连接在一起的通信总线应具有 ESD 保护。ESD可以在组装过程中引入,并可能造成组件的灾难性故障。我们建议使用对钳位瞬变具有超快响应的双向 ESD 二极管。

电动汽车电池系统都需要哪些保护?

双通道 ESD 二极管阵列的示例原理图,可以在任何极性的瞬变损坏 CAN 线路之前吸收能量。 (参考:AQ24CANA TVS 二极管阵列)

整个电池组组件应该有一个保险丝以防止电流过载。由于电池在 400 V 以上工作,我们建议使用额定电压超过电池输出电压并能够承载适当电流容量的延时保险丝。此外,保护元件应符合汽车可靠性标准(ISO-8820、AEC-Q 等)。

控制和保护电路 (C&PC) 操作接触器主开关并将其状态提供给电池系统控制器。C&PC 必须快速运行。该电路通常包含用于打开接触器的功率 MOSFET;并且,MOSFET 必须快速切换。我们推荐专门设计用于控制 MOSFET 的栅极驱动器芯片。栅极驱动器的上升时间可以低于 10 纳秒,并且对闩锁情况具有很高的免疫力,从而确保 MOSFET 高效运行。

电池系统控制器将电池组上的数据提供给主要的车辆微处理器。它需要类似于其他电路块的电流过载和瞬态电压保护。该电路包含 CAN 接口。数据线完整性对于未损坏的数据传输至关重要。我们建议使用 ESD 二极管保护这些线路。幸运的是,一个组件可以保护高线和低线。

电动汽车电池系统都需要哪些保护?

带有推荐保护组件的电池模块框图,用于电池单元的简单串联。

我们已经讨论了具有高额定电压的主保险丝模块的输出。每个单独的电池包也应该融合。低压熔断器可用于此目的。每个模块都有自己的微处理器来监控电池状态并将其报告给主控制器。因此,有线接口应使用 TVS 二极管阵列来保护 CAN 总线。

电池分配单元为各种车辆负载提供电池电压。我们建议采用高压熔断器和高压/大电流接触器的拓扑结构,以保护单个负载免受电流过载的影响,并将每个负载与所有其他负载隔离。这种做法可以保护每个负载免受任何其他负载的故障。此外,请考虑添加接触器以提供对电池组的初级保护。主接触器将电池与各种负载和电力传动系统断开。预充电接触器(与电阻器配对)提供了一条路径,可将直流链路电容器初始充电至电池电压的 90%。这种接触器-电阻器组合可保护电容器免受最初为电池组供电时产生的高浪涌电流的影响。

电动汽车电池系统都需要哪些保护?

带有推荐保护组件的电池分配单元。

尽管放置了保护组件,但电池组可能会发生内部短路或受到外部短路的影响。如何控制伤害?考虑加入最后一道防线:混合保护和断开模块。该解决方案结合了电流感应、保险丝和点火系统,旨在确保电池与负载断开连接。点火系统可确保低至 1 毫秒的快速响应,并从主电池汇流条上冲出一段以确保电路断开并熄灭任何电弧。一个独立模块提供高中断电流能力和快速检测和响应。负载受到短路电流过载保护。这项新技术最大限度地减少了对电池的损坏。

简而言之,电动汽车电池组架构的复杂性表明需要多级电路保护。在模块级别,整个模块和单个电池需要过流和过载保护。监测和控制电子设备应加强瞬态电压保护。 CAN 数据线应具有 ESD 和电压瞬变保护,以确保电池组与主要车辆微处理器之间的通信不受干扰。结合这些保护拓扑有助于消除电池组故障的发生。

(来源:Littelfuse公司,作者:James Colby)

THE END
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