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设计可靠的两轮和三轮电动车以改善空气质量和减少对环境的影响

2021-11-11 14:54:51 James Colby,业务发展高级经理,Littelfuse 阅读:
电路保护、功率控制和温度管理电路的可靠设计是长期耐用性和安全性的关键。

电路保护、功率控制和温度管理电路的可靠设计是长期耐用性和安全性的关键。a89ednc

在对抗污染和减缓气候变化方面,两轮和三轮电动车的发展与四轮和更大的电动汽车的发展一样重要。与汽车和卡车相比,大量基于燃烧的两轮和三轮车辆的燃烧控制较少,并且产生了大量的污染。两轮和三轮电动车(EV)的设计人员面临着与四轮和更高级别电动汽车设计人员相同的重大挑战。这些挑战包括最大化两次充电之间的里程数、车辆高可靠性和车辆安全性。a89ednc

市场对电池两次充电之间更多里程数的需求要求降低电路的功耗以优化效率。此外,市场对高可靠性和高安全性的要求确保了设计人员开发的电路对闪电和静电放电(ESD)等瞬变信号具有很强的抵抗力。a89ednc

图1提供了两轮滑板车的子系统以及增强可靠性和效率的保护、控制和传感元件的示例。本文将重点介绍如何使两轮和三轮电动车中的三个子系统变得可靠和高效。这三个子系统是电池管理系统(BMS)、发动机控制单元(ECU)和车载充电器。重点将放在保护和传感元件以及控制元件上,以保护这些电路不会因过载和瞬变而造成损坏,和最大限度地减少功耗和延长电池寿命。a89ednc

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 1. 两轮电动车子系统及其电路保护、控制和传感元件a89ednc

电池管理系统(BMSa89ednc

BMS 管理电池输出并保持各个电池单元的平衡。 BMS 还监视和控制充电器的电源并保护电池。 典型的 BMS 包括电池监控和管理电路、电池单元保护电路和通信接口。 图 2 显示了 BMS 的框图。a89ednc

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 2. 电池管理系统框图显示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路a89ednc

电池断开装置a89ednc

高能电池组可能包含电池断开装置。 该基本系统提供预充电连接、连接和断开负载、熔断器和电流检测。 如果检测到过载情况,该电路将打开并将电池组与负载隔离。 由于该电路控制电机的高功率,建议该电路使用能够承受来自电机和电机启动器的高浪涌电流的延时熔断器进行熔断。 确保熔断器在动作时具有高电阻,以便完全中断过载电流。选择指定开路电阻至少为1 MΩ的熔断器。所选熔断器应为符合 ISO 8820 或 AEC-Q 规范的 UL 或 CSA 元件。具有这些特性的熔断器可提供高达 500 A 的额定电流; 而且,预先核准的元件加快了标准认证的速度并降低了标准认证的成本。a89ednc

建议使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管来抑制瞬态电压,例如抛负载、ESD 和闪电,以免损坏下游敏感电子电路。 TVS 二极管可以:a89ednc

  • 安全地吸收通过空气或直接通过人体接触到的高达 30 kV 的 ESD 冲击
  • 安全地吸收高达 600 W 的峰值脉冲功率(如果需要,可提供更高功率的版本)
  • 在不到1 ns的时间内对瞬变做出快速响应

TVS 二极管的版本可以是双向的,也可以是单向的。 如果二极管可能会遇到电池反接的情况,请使用双向二极管。 对于汽车级元件,请选择通过 AEC-Q101 分立半导体标准认证的 AEC-Q 合格 TVS 二极管。a89ednc

设计人员应使用单个电池的熔断器(在感应线上)保护锂离子电池组,以防止出现短路故障的电池或一组电池损坏电池组。请选择紧凑、快速熔断器来保护单个电池。选择符合以下条件的熔断器:a89ednc

  • 具有至少 50 A 的电流中断额定值
  • 可以承受浪涌电流,但如果电池电流超过熔断器标称额定值的 250%,则会在几秒钟内断开
  • 可以在 -55° C 和 +150° C 之间的环境中运行并且符合 AEC-Q 标准
  • 采用表面贴装封装,占用最少的 PC 板 (PCB) 空间

要在正常运行期间、充电期间或检测到问题时将电池组与负载断开,请考虑使用高电流/高压直流接触器继电器。这些类型的继电器在额定电压为900V时可承载高达250A的电流。考虑使用 IP67 密封、充气版本的继电器来降低电弧风险。 寻找通过在脉宽调制模式下运行来节省能源的装置。a89ednc

电池保护模块a89ednc

电池保护模块可防止电池组过热。 对于该模块,使用与电池热耦合的负温度系数 (NTC) 传感器来监控电池温度。 建议使用玻璃封装的密封 NTC 传感器。 即使在恶劣的环境条件下,这也能提供长期的稳定性和可靠性。a89ednc

I/O(输入输出)通讯接口a89ednc

I/O通信接口将电池状态传输至主控制处理器。对于该电路模块,根据ISO 10605,有必要使用TVS二极管阵列保护接口数据线免受ESD和其他电压瞬变的影响。请寻找符合以下规格的产品:a89ednc

  • 符合IEC 61000-4-2的要求,并提供至少25 kV的ESD保护,以防遭受空击和人员直接接触
  • 提供低钳位电压,或具有低动态电阻值
  • 消耗电流低,例如在正常工作条件下低于 100 nA
  • AEC-Q101 认证文件

图3显示了一种类型的TVS二极管阵列。在这种情况下,一个节省空间的封装可以保护两条数据线(例如,用于CAN总线)。a89ednc

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3. 端口TVS二极管阵列,用于保护数据线免受任一极性的电压瞬变的破坏a89ednc

电池交换电路a89ednc

电池交换电路模块在主电池组和辅助电池组之间切换。拥有两个电池组可延长两次充电之间的行驶距离。请使用具有高开路电阻的开关,以避免两个电池组之间出现意外电流。 簧片开关可以满足这一要求。 簧片开关的绝缘电阻约为 1012 Ω。 请寻找触点额定值高达 200 V、开关电流额定值至少为 0.5 A、功率处理能力至少为 10 W 的簧片开关。a89ednc

漏电流电路a89ednc

高端摩托车和滑板车监控流向车辆底盘的泄漏电流。如果泄漏电流超过预定限值,继电器将闭合,向电池管理电路发送信号。 为此考虑使用光耦合固态继电器。 固态继电器应具有:a89ednc

  • 低于 10 Ω 的低导通电阻
  • 低于 50 nA 的低漏电流
  • 电压和电流额定值分别高达 100 V 和 150 mA
  • 至少 1500 Vrms 的输入-输出隔离

这些要求将确保可靠的继电器当泄漏电流在限制范围内时将控制信号与电池管理电路块充分隔离。a89ednc

有了这些少量的保护、控制和传感元件,电池管理系统将成为电动车的一个强大而可靠的子系统。a89ednc

发动机控制单元a89ednc

发动机控制单元 (ECU) 是车辆的主要处理和控制单元。 ECU 控制电机驱动电路并处理数据(例如电池组的状态),以便驾驶员了解电池组的状况。 图 4 显示了构成 ECU 的电路。a89ednc

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 4. 发动机控制单元/电机驱动框图显示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路a89ednc

辅助电源控制单元a89ednc

辅助电源电路充当处理器和控制开关 FET 和电机动作的其它电路元件的低压电源。 考虑使用高额定电流熔断器来保护该系统免受过载电流的影响,并使用快速熔断器来保护单个电路免受过载影响。 考虑使用为电池管理系统中的电池断开装置建议的相同熔断器。 作为用于元件级保护的一次性熔断器的替代方案,请考虑使用聚合正温度系数 (PPTC) 可复位熔断器,该熔断器在故障清除后复位至正常操作。当组件或用户错误被认为是潜在的临时性故障的主要来源时,它们特别有用。请寻找具有以下特性的 PPTC 自复熔断器:a89ednc

  • 额定电流高达 15 A,额定电压约为 60 VDC
  • 表面贴装封装,可节省空间并自动插入 PCB。

使用 TVS 二极管保护辅助电源单元免受 ESD 和电压瞬变的影响。 考虑使用推荐的 TVS 二极管来保护 BMS 电池断开装置。a89ednc

反极性电桥保护a89ednc

反极性电桥保护电路可保护电机驱动电路免受电池错误连接到车辆电路的影响。对于这种反极性保护,可以考虑使用肖特基二极管(它也可以用于DC-DC转换器电路中的整流)。肖特基二极管提供低正向压降以减少能量损失并通过允许转换器以更高频率运行来提高转换器效率。此外,更高频率的操作允许使用更小的感应元件,从而节省成本和PCB空间。考虑到该电路中使用了开关元件(IGBT、MOSFET),它很容易受到高温故障的影响。当 FET 进入电阻性短路状态时,这种故障就会显现出来。为防止出现这种情况,建议在出现不受控制的过热情况时使用热保护器来断开电路与电源的连接。请选择可中断高达500 A的元件。a89ednc

电机驱动电路a89ednc

电机驱动电路包含驱动电机的功率输出电路。对于此电路,请考虑使用MOSFET或用于功率驱动的MOSFET模块。请查找符合以下条件的MOSFET:a89ednc

  • 低 Rds(on) 以最大限度地减少开关功率损耗
  • 高热效率和快速 dv/dt 额定值可有效驱动电机负载

使用栅极驱动器有效地控制 MOSFET。 考虑用于控制高侧、低侧 MOSFET 输出配置的双输出器件。 此外,请寻找具有闩锁保护和超过 MOSFET dv/dt 时间的快速上升/下降时间的驱动器。 可提供上升和下降时间低于 10 ns 的驱动器。a89ednc

请务必使用数字温度指示器监控电机驱动电路是否过热。 图 5 显示了其电阻与温度曲线的示例。该器件是一种聚合物温度指示器,当达到温度阈值时,其电阻可以改变 108 倍。 高电阻有效地为监控电路创建了一个积极的指示,然后监控电路可以关闭电机的电流。 当温度下降到临界关断温度以下时,该元件将复位,电机可以恢复供电。 或者,您可以选择类似于为 BMS 电池保护模块推荐的密封玻璃传感器的 NTC 温度传感器。a89ednc

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5.热保护器和示例器件的电阻-温度曲线a89ednc

电机a89ednc

关键驱动部件(电机)应防止过热、转速过高和转子被锁死。两种传感元件可以解决这些情况。与推荐用于监控电机驱动电路的相同的 NTC 温度传感器可以监控电机温度,霍尔传感器/开关可以监控电机速度和转子位置。霍尔传感器具有可以输出电压或电流的版本,因此您可以选择最适合您的设计的输出。寻找开关寿命长的霍尔传感器/开关,以获得最大的可靠性。 霍尔传感器开关最多可实现 200 亿次开关操作。a89ednc

I/O(输入输出)通讯接口a89ednc

I/O 通信接口使 ECU 能够与车辆传感和控制电路以及电池组状态线连接。 按照 BMS 中 I/O 通信接口的建议,使用 TVS 二极管阵列保护接口的数据线免受 ESD 和其它电气瞬变的影响。a89ednc

ECU是电动汽车中最关键的系统。 确保该系统得到适当保护至关重要。a89ednc

车载充电器a89ednc

车载充电器将交流电源转换为直流电源,为电池组充电提供充电电压和电流。图 7 显示了包含车载充电器的电路以及推荐用于各个电路的保护、控制和传感元件。a89ednc

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图 6. 车载充电器框图显示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路a89ednc

输入保护、整流器和滤波器a89ednc

由于该电路与交流电源线相连,因此该电路会受到交流电源线上可能出现的过电流条件和电压瞬变的影响。请使用延时熔断器中断电流过载。确保熔断器的额定电压超过线路电压。因为熔断器连接到交流线路,所以建议选择 UL 或 CSA 元件认可的熔断器。对于汽车级质量,请考虑选择符合ISO 8820或通过AEC认证的熔断器。a89ednc

交流线路瞬变可能有很大的能量,应该在电路的输入端安装能够安全地吸收这些瞬变中的能量的元件。对于电压瞬变期间钳位电压最小化至关重要的电路,可以考虑金属氧化物压敏电阻(MOV)和保护晶闸管的串联组合。MOV 版本可以吸收高达 10 kA 的峰值电流,工作电压超过 800 VDC。它们还可以满足 AEC-Q200 对无源元件的质量要求。双向保护晶闸管可以吸收高达 3 kA 的浪涌电流,响应时间为纳秒级。请使用符合 AEC-Q101 标准的晶闸管版本。与单独使用 MOV 相比,MOV 和保护晶闸管的串联可以允许较低的钳位电压。a89ednc

功率因数控制电路a89ednc

功率因数控制电路通过减少输入电压和从电源线汲取的电流之间的相位差来提高充电器的效率。这最大限度地提高了提供给设备的实际功率,并降低了可能具有更高峰值电流消耗的视在功率。对于该电路,建议使用 Rds(on) 值低于 500 mΩ 的低 Rds(on) MOSFET,以最大限度地减少开关和传导损耗。此外,使用推荐用于 BMS 和 ECU 电路模块的高压版本的TVS 二极管,保护该电路免受自感应电压瞬变(有源钳位)的影响。a89ednc

高频转换器和钳位电路a89ednc

高频变换器和钳位电路将交流正弦输入转换为高频方波因数。使用 MOSFET 创建方波信号,最大限度地提高电路效率。使用推荐用于功率因数控制电路的TVS二极管保护此电路。a89ednc

输出整流和滤波电路a89ednc

输出整流和滤波电路为电池组产生直流充电电压和电流。选择一个快速恢复的高频开关整流二极管,以最大限度地减少电路中的开关损耗。选择结温高于150°C的整流二极管以获得最大的可靠性。a89ednc

输出直流保护电路a89ednc

输出直流保护电路将充电电压和电流连接到电池组。使用熔断器来防止电路因电池组或下游组件或系统短路而过载。 使用与输入保护电路推荐的相同类型的熔断器。a89ednc

I/O(输入输出)通讯接口a89ednc

与 BMS 和 ECU 一样,使用与前面描述的系统中的接口相同类型的 TVS 二极管阵列来保护 I/O 通信接口数据端口免受瞬变的影响。 瞬态保护将有助于防止处理器因瞬态过载故障而发生灾难性故障。a89ednc

输入保护和滤波器a89ednc

输入保护和滤波器提供对充电器输出的控制。该电路应使用 TVS 二极管进行保护。 请选择具有以下功能的 TVS 二极管:a89ednc

  • 30 kV 额定值,对于无论是通过空气还是直接人体接触产生的ESD 冲击
  • 高达1 kA 的瞬态浪涌保护

寻找符合 AEC-Q101 标准的元件。当 PCB 空间紧张时,寻找节省空间的表面贴装版本。a89ednc

两轮和三轮电动车的安全标准a89ednc

请注意电动两轮和三轮车辆必须遵守的国家和国际安全标准。表1 中列出了这些标准。通过在设计过程的早期解决标准要求来节省开发时间。确保设计定义中包含目标市场的安全标准。a89ednc

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表 1. 适用于两轮和三轮电动车的国家和国际安全标准a89ednc

在设计受保护和高效电路方面的价值a89ednc

通过使用推荐的保护、控制和传感元件,您可以实现市场所需的可靠性。您的设计将能够抵抗过流条件和瞬态过载。您可以利用制造商的应用专业知识来实施这些保护措施并节省设计和开发时间。应用工程师们可以帮助选择元件并提供有关遵守适用安全标准的指导。a89ednc

参考文献a89ednc

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