更高的功率密度、高效的功率轉(zhuǎn)換和可靠的電路保護對電動汽車的未來至關(guān)重要

        圖1. 碳化硅肖特基二極管和MOSFET，就像這些來自Littlefuse的圖片，與硅器件相比，功率開關(guān)損耗更低。

         電動汽車有望實現(xiàn)高速增長，從2019年的600萬輛增至2023年的1600萬輛。新技術(shù)正在推動這一巨大變化，包括更高效的功率轉(zhuǎn)換和更高的功率密度。 還需要新的電路保護策略來保護電池管理系統(tǒng)（BMS）免受更高功率的影響。

高效功率轉(zhuǎn)換

         功率損耗會降低車輛的行駛里程。 而且，在車輛充電期間，損耗以熱量和充電時間的形式引起工程挑戰(zhàn)。 這就是為什么業(yè)界在功率轉(zhuǎn)換上采用提供更高功率效率的寬帶隙功率半導(dǎo)體器件的原因。 特別是，碳化硅器件現(xiàn)在價格合理，而且具有汽車級的可靠性（圖1）。

碳化硅器件的另一個優(yōu)點是它們利用了較小的無源元件（如電感器），并且對散熱片的需求更少。 尤其是在混合動力汽車中，空間非常寶貴，即使是很小的重量也會影響到汽車的性能。

       功率密度

        隨著鋰離子電池功率密度的提高，車輛每次充電可實現(xiàn)更長的行駛里程，從而使電動汽車對消費者更具吸引力。 同時，正在出現(xiàn)的大功率汽車充電站，可大大縮短充電時間，這也將增加電動汽車的普及率。

各大汽車公司正在可提供每公斤250瓦時（wh/kg）的鋰電池汽車，其目標(biāo)是在幾年內(nèi)達到350瓦時/公斤。政府和行業(yè)研究人員正在研究電池設(shè)計，這種設(shè)計可能遠遠超過目前可用的功率密度。

        鋰離子電池為車輛設(shè)計人員提供了較長的充電周期壽命和功率密度，但是它們可能有些挑剔。 過度充電和高放電會降低鋰離子電池的壽命和效率。極端的電流流動可能會導(dǎo)致短路和樹枝狀鋰電鍍，最終破壞電池。 欠電壓會損壞電極。 極端的電池溫度可能會導(dǎo)致短路和易燃氣體的釋放。 為了使電池安全運行，電池管理系統(tǒng)必須仔細管理充電和放電，并保持大約20％至90％的充電狀態(tài)。

電路保護

        隨著電池功率密度的增加和充電電壓的增加，對電池和電池管理系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo的重要性也在不斷提高，這是這場綠色革命的核心。 如果不能充分保護其免受各種電氣威脅的侵害，那么電池故障將關(guān)閉用戶電源，并且在最壞的情況下，將導(dǎo)致火災(zāi)和電擊危險。

汽車設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是，電池管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺。與成熟的內(nèi)燃機技術(shù)不同，電動汽車還處于起步階段。每一個汽車制造商都試圖通過一種新的方法來尋找最好的方法：新的架構(gòu)，新的電壓等級，以及適應(yīng)從機械到電氣的性能的新方法。這導(dǎo)致了關(guān)于如何最好地保護電路的困惑。

過電流保護

        電池管理系統(tǒng)和電池面臨各種電氣威脅。考慮到它是一個運行在數(shù)百安培下的高能系統(tǒng)，最明顯的威脅是過電流。一旦發(fā)生事故，被刺穿或弄皺的電池會與汽車的金屬底盤接觸，從而引起火災(zāi)或電擊危險。

因此，直流熔斷器部署在多個關(guān)鍵位置。 它們會迅速中斷高值過電流和短路。 電動汽車應(yīng)用中使用的保險絲必須符合汽車標(biāo)準(zhǔn)。 這并不容易。 與用于保護平板電腦和手機中鋰電池的保險絲不同，汽車熔斷器必須承受極強的沖擊和振動。汽車保險絲在15年的使用周期內(nèi)（包括8000小時的工作時間和150000英里的道路振動）將保持可靠。小尺寸對于減少可能受到振動影響的質(zhì)量至關(guān)重要，但是電動汽車所涉及的高功率要求熔斷器相對較大。溫度是一個復(fù)雜的環(huán)境因素；熔斷器必須具有低溫降額功能，以免在高溫下過早斷開。

浪涌和ESD保護

        電池管理系統(tǒng)與充電系統(tǒng)持續(xù)通信，以防止電池充電過度。它控制充電速度，當(dāng)電池接近容量時將減慢充電速度，以避免過熱。隨著越來越多的車輛配備了能夠快速充電的大容量電池，電池管理系統(tǒng)會根據(jù)電池組的容量控制充電速度。

        隨著電動汽車充電向更高電壓和電流方向發(fā)展，電池、電池管理系統(tǒng)和充電器之間的通信變得越來越重要，必須加以保護。

        TVS二極管和二極管陣列用于保護通信線路（通常為CAN總線）免受ESD和附近雷擊引起的瞬態(tài)電壓的影響。 這些器件的選擇及其在電路中的位置取決于電池管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

         在電動汽車中，電池單元串聯(lián)連接，組成一個模塊。 當(dāng)模塊串聯(lián)時，系統(tǒng)的總電壓增加。 接著，模塊并聯(lián)連接以增加能量容量。 當(dāng)設(shè)計人員向電池管理系統(tǒng)添加模塊時，成本和復(fù)雜性都會增加。

每個電池模塊都有電池監(jiān)測系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)監(jiān)測電壓是否平衡。然后，微控制器監(jiān)視這些模塊中的每個模塊，以提供最高的能源效率和最長的電池壽命。

        電池管理系統(tǒng)的特定體系結(jié)構(gòu)決定了保護規(guī)范，如中斷額定值和電壓范圍。

        在分布式架構(gòu)中，感測平衡集成電路通過長導(dǎo)線在電池與從屬板之間連接。高壓熔斷器用于減少事故中模塊內(nèi)和電池之間在高電壓條件下發(fā)生短路的風(fēng)險。 如果在這種分布式架構(gòu)中損壞了一個元件，則可以單獨對其進行更換，從而使其成為更便宜，更簡單的選擇。

         在集中式架構(gòu)中，所有元件都被集成到單個模塊中。但是，如果某個組件出現(xiàn)故障，則必須以更高的成本更換整個模塊。

         在這種架構(gòu)下，電池與從屬板之間的距離更小，從而在高電壓條件下發(fā)生事故的可能性較小。 但是，低成本的中低壓熔斷器應(yīng)用于防止電池管理板上的元件故障和污染。兩種類型的故障必須被考慮：短路和過載情況。

        由于每個電池上都有監(jiān)測線，因此任何電池中都有可能發(fā)生短路。 電池監(jiān)控器模塊或直連線也必須裝有熔斷器，以避免過電流損壞。

應(yīng)用電路保護

          圖2顯示了存在損壞風(fēng)險的系統(tǒng)元件以及最適合其電路保護的器件類型。

用于監(jiān)控電池的集成電路-TVS二極管防止過電壓

電池之間的通信線路-TVS二極管陣列防止ESD

電池集成電路 –電壓瞬變情況下的高壓TVS二極管

微控制器– TVS二極管陣列

        主開關(guān)–與主開關(guān)串聯(lián)的高壓大電流熔斷器，用作最終保護屏障

逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器-高壓TVS二極管

        圖2. 電池管理系統(tǒng)框圖。 電路保護位置包括保險絲（1），TVS二極管（3、5），TVS二極管陣列（4、6）和高壓熔斷器（7）

      許多供應(yīng)商都提供汽車級電路保護元件（圖3a和3b）。 由于汽車電路保護的關(guān)鍵任務(wù)性質(zhì)，設(shè)計工程師將從與了解整個BMS生態(tài)系統(tǒng)并提供各種技術(shù)解決方案的供應(yīng)商的合作中受益。

        圖3a和圖3b：電池管理系統(tǒng)保護需要AEC-Q汽車認(rèn)證元件。 示例包括441A陶瓷熔斷器和Littelfuse的TPSMB TVS二極管。 TVS二極管可防止次級感應(yīng)瞬態(tài)電壓

        與許多電路保護幾乎是事后才想到的應(yīng)用不同，車輛電氣化是設(shè)計工程師認(rèn)識到其關(guān)鍵作用的一個領(lǐng)域。測試正在從最后階段過渡到過程的早期階段。許多供應(yīng)商提供定制的模擬測試，可以在開發(fā)過程中驗證設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)測試不存在于這個快速發(fā)展的市場中，因此設(shè)計師和元件供應(yīng)商必須作為一個團隊一起工作，共同開發(fā)專業(yè)知識。此外，為了在汽車安全標(biāo)準(zhǔn)中達到最佳保護選擇，汽車工程師應(yīng)接受現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)及其要求的教育。通常，他們的供應(yīng)商處于教育他們的最佳位置。

        隨著消費者和政府都推動汽車制造商邁向更綠色的未來，他們必須找到包括電路保護在內(nèi)的一系列工程挑戰(zhàn)的解決方案。 他們與知識淵博的供應(yīng)商合作，正在創(chuàng)造新一代安全可靠的電動汽車。