电池一直是电动车中最受关注的部件。但是在电池组的选择上,中国车厂和外国车厂选择了一条明显不同的道路。

举例来说,电动汽车卖的最好的车型日产聆风(leaf),其电池组电压为360V;三菱的i-MiEV是300V;7000颗18650锂电组成的特斯拉电池组电压也只有400V。但相比国外厂商,国内电动车的电池组电压要高很多,例如比亚迪秦的电池是560V,而唐的电池组电压是700V。

据称比亚迪、江淮、北汽等国内主流电动汽车车厂们还在往1000V及以上的电池组发展。“电池组电压高有两个好处,一是能量/功耗损失小,二是电机驱动效率更高。我认为这是个好的趋势,也应该是今后的一个发展方向。”Littelfuse公司中国及香港地区销售总监查勇表示。

为此,EDN的记者也特地咨询了一位车厂的专家,他指出,车厂将电池组电压升高还有个好处是,在输出功率相同的情况下,增加电池组电压就可以降低工作电流,这对外围器件性能需求/成本影响比较大,而且器件可以工作在轻负荷的状态,可靠性也会提高。

对设计师来说,电池组的电压高低直接影响电池的数量。同时,针对更高电压的电池组,用于主回路主电流的保险丝和保护器件都需要专用的高压器件,对IGBT等功率器件的需求也和低压电池组不同。

单个锂电池的容量和电压都是比较小的,要达到比较大的电压就要串联,大的电流就要并联,任何一个电动车的电池组都是串并联的结合体。由于为电动汽车提供电力的绝大多数电池组由若干锂离子电池组成的,设计出有效而且可靠的电池管理系统(BMS),才能保证电池组的安全运行。

监测单个电池或电池组的电压是此类电池管理系统的一个关键功能,Littelfuse也在积极和BMS主芯片厂商合作,为供电线路和电池监测感应线路提供保护方案。

下图所示为高压电池系统结构及保护需求。跟随客户需求,Littelfuse也在不断发展自己的产品,保护方案最高已经做到了1500V。

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图:高压电池系统结构及保护需求。

(其中,1代表对传感器线路进行短路保护的传感器线路保险丝;2代表电池监测集成电路传感器线路输入过电压保护;3代表菊链I/F的过电压/ESD保护;4代表整个电池串上的高电压TVS用于瞬变保护;5代表CAN总线I/F的过电压/ESD保护;6代表用于电力线保护的高电压/高电流保险丝。)

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任何类型电动汽车的电池管理系统都是高度复杂和任务关键性系统,需要精心选择和正确放置的保护元件进行过电压和短路保护。上图为Littelfuse的保护方案。以cell为单位进行主动/被动均衡传输,每条传感线上都要有过压过流保护,另外CAN总线上需要有对通信接口的ESD。“由一个主芯片来控制12-16路传感/均衡线,和CAN总线的接口也要保护。如果是700V的电池组,就需要180~200路的保护,十几个类似的接口。”查勇指出。

更进一步的安全:把保护做进电池里

对温度敏感是锂电天生的缺陷,如果过充过载,很容易起火燃烧甚至爆炸。

但是,铁锂、三元锂等不同材料的电池在大部分系统设计者的眼里都是一样的,一般只需要关注基本点,保持电池充放电和工作安全运行即可。

“针对不同材料的电池,业界在板级保护方面目前并没有不同,只是根据电流电压作参数来进行设计保护,而从不关注是用哪种类型的电池。”查勇指出,一般提到BMS保护就是在电流回路里做过流和过压保护,以防止在极端电压条件下发生过负载、过充、或着短路着火等情况。

在板级的保护虽然没有不同,但是Littelfuse针对不同材料的锂电池,和主要电芯供应商,包括日本、韩国和国内的厂商,探讨更深层次的、更全面的动力电池的保护,深入涉及到保护材料,比如PTC正温度系数电阻材料,并设法把这个材料植入进电池的正极,也就是说从电池单体上就做到完整的保护。

Littelfuse在去年收购了TE的电路保护部门(RayChem),该业务部在基于聚合物的自恢复电路保护领域非常出色。

保险丝认证测试

Littelfuse是汽车保险丝的发明者,但电动车的保险丝和汽油车还是有区别的,以贴片型保险丝替代了传统上的刀片型插件。

然而在汽车中使用的电子保险丝现在还没有统一的官方标准,企业只是根据自己的经验提供一些性能参数。Littelfuse根据AEC-Q200准则制定了一项测试计划,对保险丝对汽车应用的适用性和可靠性进行测试。(Littelfuse也是AEC-Q的成员之一,而且有两位专家在AEC-Q委员会里。) Littelfuse作为汽车领域电路保护的专家,积极参与制定电动汽车保险管的安规要求。

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Littelfuse公司中国及香港地区销售总监查勇

“我们和客户,行业协会在做沟通交流,主要是针对可靠性测试方面。简单讲,包括工业类、通信类、家用类,对震动和温度循环等都不会有非常高的要求,但汽车应用因为使用环境恶劣,且和人身安全相关,要求自然不同。”查勇指出。

这项测试计划包 18项测试,例如1000小时高温高湿测试、1000循环温度冲击测试、特殊机械冲击及振动测试等,所用的样本量也有更加严格的要求。“只是一次测试做到了还不够,如何保证每批货都通过这个测试?整个质量控制体系需要厂商能够持续性提供高品质。可能有些厂商这批货通过了这个测试,但是事实上在整个质量体系保证中对汽车元器件的生产也有这个规范,我们在生产/管理体系过程中也是采用了汽车元器件质量体系规范,这个是友商不具备的。”查勇强调说。