纯电动和混合动力车电子系统电路保护会有什么特殊要求吗？

电池管理系统 主要讲的是什么？ EV/HEV 的电池的理想特性有哪些？

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刘耀清

2021-3-9 18:56:44

虽然混合动力和电动车比传统内燃汽车更节能，但由于电子系统的显著增加需要新的电路保护概念。高可靠性（如电池管理或传输逆变器的恶劣的环境）需要采用特定的技术。
      伴随着每一代新汽车的问世，电子系统的数量也在不断增加。不仅是因为对高级辅助驾驶系统（ADAS）或互联信息娱乐系统的需求不断增长，如今即使是入门级汽车也整合了高端汽车中的先进电子系统，包括安全、远程信息处理和互联。对于这些电子系统，在设计阶段的早期就将保护考虑进来是非常重要的。不幸的是，在系统的设计阶段，电路保护往往被低估，甚至被忽略了。电路保护为何如此重要呢？不仅是因为它有助于电子设备保持其设计功能，还可以增强可靠性；在许多情况下，乘员安全是保护生命的最重要的方面。电气危害的主要来源是来自人体的 ESD（如在连接智能手机时触摸 USB端口），以及在汽车制造或进入维保时来自组装或维修人员的 ESD。来源于电路中的负载切换瞬变，以及雷电引起的（通过磁场进入车辆电子设备的）浪涌等。过载和短路电流与汽车内的电源有关，需要使用保险丝或自复式保护器件（如 PPTC）加以保护。
      立法，正将环境保护的需要转化为提高燃油效率的更强制性的法规。欧盟将在 2021 年将二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地区，针对二氧化碳排放量也有非常相似的规定。所有汽车制造商遵行这些法规的唯一途径是在其产品组合中推出混合动力和电动车型。如此会导致越来越多的电子设备被采用，特别是高压/大电流应用（逆变器、DC-DC 转换器、充电器等等）。因此，针对这些要求的特定的电路保护解决方案的需求在不断增加。
      然而，设计师在寻找合适的技术或产品、满足这种新汽车系统的应用要求上却往往面临着挑战。
      本文将重点强调电路保护的特殊要求，并介绍在这一领域当前和未来的技术对混合动力汽车中主要的大功率应用。
      电池管理系统
      纯电动和混合动力车需要便携式储能来为电动动力组件提供电力。最根本的问题是，电能无法被储存，只能以化学形式（如电池和燃料电池）或机械形式存在，需要通过使用电能转换器来转换成电的形式。关键在于以最小的封装和环境污染并尽可能有效地进行转换（即具有高功率密度和能量密度的转换）。寻找能量储存和转换装置的过程是艰巨的，从汽车动力到车轮的整个能量转换过程都必须是最高效的。
      EV/HEV 的电池的理想特性有：

高功率/能量密度，以减少空间和重量。
高电流以降低充电时间。
长寿命和循环寿命。
良好的电池平衡和电池组管理，以提高效率和续航。
合理的成本。

电池是由单个的电池单元组成的，它们将化学能转化为电能。多个这样的电化学电池单元串联起来，形成一个电池模块，以提供一定的电压。每个单位电池单元的电压取决于电池的化学性质；串联模块的电池单元数量取决于所需的总电压。
EV/HEV 中使用的电池是一个电池组，由多个电池模块的串联和并联组合。串联和并联组合是基于所需的直流侧电压和电池的能量容量配置的。串联连接产生所需的电压，并联连接为电池组的最小运行时间提供所需的容量。此外，电池组配备了充电平衡和均衡、以及电池组管理电路。电池组管理电路确保了可靠性和对过充电、过放电、短路和热过载的保护。电池组管理电路能够对电池的状况和故障进行报告。

图 1：锂离子电池系统。电池单元及电池组 此外，还需要对电池管理系统本身加以保护，使这一重要的系统在所有条件下（组装、维护和正常运行）都安全可靠。
图 2 所示的是包含主要模块的高压电池系统。

图 2：高压电池系统：构建模块及其保护       主要保护需要为
      1、传感线路保险丝可以保护防止传感线路短路：根据电池系统，会安装多达 200 条传感线路来测量每个电池单元的电压，以确定它们的充电状态和状况。从理论上讲，根据故障模式，在随机传感线路之间会发生短路。潜在的故障：交通事故或装配问题，导致冷却剂或其他液体的泄漏，从而产生导电沉积。
      电路保护器件的电压范围取决于电池配置，对于中断额定值也是一样。此外，传感线路保险丝应具有较低的温度降额、低耐寒性、长期稳定性，能够应对温度周期和振动，并且具有较小体积。
      2、电池监测 IC 传感线路输入过电压保护：保护电池监测的低压（5V）输入端子免受瞬变的影响。在电池组的装配和维护过程中会发生热插拔瞬变；而充电器、逆变器和电机驱动器等车辆系统，通过传导或通过邻近电缆的感应耦合，会诱发其他瞬变。
      3、菊链 I/F（如热插拔、ESD）的过电压/ESD 保护。电路保护器件应具有较低的电容（保持信号完整性，最大程度降低数据丢失）、低钳位电压、小形式因数，以及 10 到数百 W 的功率容量。
      4、电池串两端的高压 TVS 可提供瞬变保护（如热插拔）

图 3：传感线路和电池监测保护 5、Overvoltage CAN 总线 I/F 的过电压/ESD 保护：CAN 总线是用于将电池监测控制器与更高级的 BMS 控制器（然后与汽车中的其他控制器通信）连接起来的典型的接口。在汽车电池系统的密集环境中，CAN 线路会遭受由 ESD（例如在装配和维护的过程中）导致的过电压应力或其他汽车系统通过偶合或传导而引起的瞬变。
6、用于电力线保护的高压/大电流保险丝：高压/大电流主保险丝是汽车大功率系统中电流过大或短路事件情况下确保安全性的最后一道防线。合适的保险丝需要与系统下游的其他保险丝（例如接线盒）进行良好的协调。保险丝需要能够承受几千安培的电流，并且能够长时间持续传导大量的电能。

图 4：微控制器和电力线保护
车载充电器
图 5 是电动和插电式混合动力汽车中使用的典型车载电池充电器的框图。

图 5：电池充电器电路的拓扑结构 该电路由输入端的桥式整流器以及其后的功率因数校正（PFC）电路和全桥 DC/DC 转换器组成。
主要保护需要为

图 6：桥式整流器、功率因数校正（PFC）和全桥 DC/DC 转换和保护器件       1、交流输入保险丝：需要能够在高达 250V 单相交流电压下高电流（例如 32A）的汽车级过电流保护保险丝。高分断能力以及承受振动、浪涌瞬变和热循环的能力是关键。
      2、交流输入瞬变保护：由于直接连接到电网，需要使用 MOV 提供瞬变（8/20µs）保护；所用的 MOV 需要能够在高温（125°C）下运行，并且提供交流线路的工作电压。符合 AEC-Q200 标准要求是必要条件。
      3、直流侧电容器保护：即使直流侧电容器的目的是过滤某些瞬变，但是在某些情况下仍然需要保护；快速汽车级 TVS 二极管可以保护这些昂贵的部件。
      4、a.  栅极过电压保护：以前使用的是齐纳二极管，但是这些器件不具有TVS 二极管的快速响应、更高的浪涌能力和可靠性等优点。
      b.  有源钳位保护：集电极到栅极的直接反馈。当集电极-发射极电压超过钳位元件的击穿电压时，电流流向栅极。因此，栅极电位升高，降低集电极电流斜率，从而达到稳定的状态。钳位元件的设计决定了 IGBT 两端的电压。

      5、高压直流侧过电流保护：有助于消除由于 OCB 或电池组中的故障或交通事故等外部事件造成的短路危险。
      6、高压直流侧过电压保护：可以清除由开关（热插拔）或其他汽车其他引起的过电压瞬变。
      7、CAN 总线-ESD 和瞬变保护。OBC 通过 CAN 总线与BMS 等其他系统进行通信。在密集封装的环境下，CAN 线路经常会受到 ESD（例如在装配和维护过程中）的过电压应力和由其他汽车系统通过感应耦合或传导耦合引起的瞬变的影响。
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