【導(dǎo)讀】汽車市場分析師預(yù)測，到 2025 年，高端汽車將包含超過6000美元的電子元件。大多數(shù)這些先進的電子產(chǎn)品將用于越來越多的電動汽車 (EV)中。為了確保穩(wěn)健、可靠和安全的性能，必須保護車輛電子設(shè)備免受電流過載、靜電放電 (ESD) 和瞬態(tài)過載的影響。電池組是電動汽車動力的來源，也是汽車的關(guān)鍵、高成本部件。
汽車市場分析師預(yù)測，到 2025 年，高端汽車將包含超過6000美元的電子元件。大多數(shù)這些先進的電子產(chǎn)品將用于越來越多的電動汽車 (EV)中。為了確保穩(wěn)健、可靠和安全的性能，必須保護車輛電子設(shè)備免受電流過載、靜電放電 (ESD) 和瞬態(tài)過載的影響。電池組是電動汽車動力的來源，也是汽車的關(guān)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(nèi)運行。一個電池組將包括大約20個并聯(lián)串聯(lián)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(shè)計，容量從 35 到 100 千瓦時不等。
具有推薦保護和控制組件的通用儲能系統(tǒng)的典型電路系統(tǒng)。
由于 400-500V 電池組可容納數(shù)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(fā)熱。尺寸合適的電流中斷裝置和瞬態(tài)過載保護對于避免對車輛電子設(shè)備造成災(zāi)難性破壞以及對車輛乘員的潛在傷害至關(guān)重要。
典型的 EV 能量存儲系統(tǒng)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?shù)街鬈囕v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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)并確保溫度范圍為 -55 至 125°C。為了保護電池組免受系統(tǒng)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(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 汽車級資質(zhì)的版本。
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(shè)計包括用于電池平衡和控制電路的過流和瞬態(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應(yīng)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(zāi)難性故障。我們建議使用對鉗位瞬變具有超快響應(yīng)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 線路之前吸收能量。 （參考：AQ24CANA TVS 二極管陣列）
整個電池組組件應(yīng)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(dāng)電流容量的延時保險絲。此外，保護元件應(yīng)符合汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)（ISO-8820、AEC-Q 等）。
控制和保護電路 (C&PC) 操作接觸器主開關(guān)并將其狀態(tài)提供給電池系統(tǒng)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(shè)計用于控制 MOSFET 的柵極驅(qū)動器芯片。柵極驅(qū)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(tǒng)控制器將電池組上的數(shù)據(jù)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(tài)電壓保護。該電路包含 CAN 接口。數(shù)據(jù)線完整性對于未損壞的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)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。
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(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。每個單獨的電池包也應(yīng)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(jiān)控電池狀態(tài)并將其報告給主控制器。因此，有線接口應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)斷開。預(yù)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(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，但電池組可能會發(fā)生內(nèi)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(jié)合了電流感應(yīng)、保險絲和點火系統(tǒng)，旨在確保電池與負載斷開連接。點火系統(tǒng)可確保低至 1 毫秒的快速響應(yīng)，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(yīng)。負載受到短路電流過載保護。這項新技術(shù)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(gòu)的復(fù)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(jiān)測和控制電子設(shè)備應(yīng)加強瞬態(tài)電壓保護。 CAN 數(shù)據(jù)線應(yīng)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(jié)合這些保護拓撲有助于消除電池組故障的發(fā)生。
（來源：Littelfuse公司，作者：James Colby）
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