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电动车的电路保护、功率控制如何设计才更安全?

2021-12-17 ames Colby,Littelfuse业务发展资深经理 阅读:
在对抗污染和减缓气候变化方面,两轮和三轮电动车(EV)的发展与四轮和更大EV的发展一样重要。与汽车和卡车相比,大量采用燃烧技术的两轮和三轮车辆对于燃烧控制较少,并且产生大量污染。两轮和三轮EV的设计人员面临着与四轮和更高等级EV设计人员相同的困难挑战,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。

在对抗污染和减缓气候变化方面,两轮和三轮电动车(EV)的发展与四轮和更大EV的发展一样重要。与汽车和卡车相比,大量采用燃烧技术的两轮和三轮车辆对于燃烧控制较少,并且产生大量污染。两轮和三轮EV的设计人员面临着与四轮和更高等级EV设计人员相同的困难挑战,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。fFsednc

市场要求电池两次充电之间行走更多里程数,这就需要降低电路的功耗以实现最佳效率。除此之外,市场对高可靠性和高安全性的要求,是要保证设计人员开发的电路能对雷电和静电放电(ESD)等瞬变讯号具备强大抵抗力。fFsednc

图1提供了两轮摩托车的子系统以及增强可靠性和效率的保护、控制和感测组件的图标。本文将重点介绍如何使两轮和三轮EV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)、引擎控制单元(ECU)和车载充电器。重点将放在保护和感测组件还有控制组件上,用于保护这些电路不会因超载和瞬变而造成损坏,以及最大限度地减少功耗和延长电池寿命。fFsednc

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图 1:两轮电动车子系统及其电路保护、控制和感测组件。fFsednc

电池管理系统(BMS)

BMS管理电池输出并保持各个电池单元的平衡。BMS还可监控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讯接口。图 2显示了BMS的方块图。fFsednc

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图 2:电池管理系统方块图显示了推荐的保护、控制和感测组件所在的电路fFsednc

电池断开装置

高能源电池组可能包含电池断开装置。这个基本系统提供预先充电连接、连接和断开负载、熔断和电流检测。如果检测到超载情况,该电路将打开并将电池组与负载隔离。由于该电路控制马达拥有高功率,建议该电路使用能够承受来自马达和马达启动器的高浪涌电流的延时保险丝来进行熔断。确保保险丝在动作时具有高电阻,以便完全中断超载电流。选择指定开路电阻至少为1MΩ的保险丝。所选保险丝应为符合ISO 8820或 AEC-Q规范的UL或CSA组件。具有这些特性的保险丝可提供高达500A的额定电流;而且,预先核准的组件装置加快了标准认证的速度,并降低了这方面的成本。fFsednc

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和雷电,以免损坏下游敏感电子电路。TVS 二极管可以:fFsednc

安全地吸收通过空气或直接通过人体接触到的高达30kV的ESD冲击fFsednc

安全地吸收高达 600W的峰值脉冲功率(如果需要,可提供更高功率的版本)fFsednc

在不到1ns的时间内对瞬变做出快速响应fFsednc

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。对于汽车级组件,请选择通过AEC-Q101分离式半导体标准认证的AEC-Q合格TVS二极管。fFsednc

设计人员应使用单颗电池的保险丝(在感应在线)来保护锂离子电池组,以防止出现短路故障的电池或一组电池损坏电池组。请选择小型快速保险丝来保护单颗电池。选择符合以下条件的保险丝:fFsednc

具有至少50A的电流中断额定值;fFsednc

可以承受突波电流,但如果电池电流超过保险丝标称额定值的250%,则会在几秒钟内断开;fFsednc

可以在-55℃到+150℃之间的环境中运行,并且符合AEC-Q规范;fFsednc

采用表面黏着封装,占用最少的印刷电路板(PCB)空间。fFsednc

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/高电压直流(DC)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。可考虑使用IP67 密封、充气版本的继电器来降低电弧风险。寻求在脉宽调变模式下运行来节省能源的装置。fFsednc

电池保护模块

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。fFsednc

I/O通讯接口

I/O通讯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二极管数组保护接口数据线免受ESD和其他电压瞬变的影响。请物色符合以下规格的产品:fFsednc

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;fFsednc

提供低箝位电压,或具有低动态电阻值;fFsednc

消耗电流低,例如在正常工作条件下低于 100nA;fFsednc

具备AEC-Q101 认证文件。fFsednc

图3显示了一种类型的TVS二极管数组。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)。fFsednc

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图3:两端口的TVS二极管数组,用于保护数据线免受任一极性电压瞬变破坏。fFsednc

电池交换电路

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。簧片开关可以满足此一要求。簧片开关的绝缘电阻约为1012Ω。请物色触点额定值高达200V、开关电流额定值至少为 0.5A、功率处理能力至少为10W的簧片开关。fFsednc

漏电流电路

高价位的摩托车和滑板车可监控流向车辆底盘的漏电流。如果漏电流超过预定值时,继电器将闭合,向电池管理电路发送讯号。为此我们考虑使用光耦合固态继电器。固态继电器应具备:fFsednc

低于10Ω的低导通电阻;fFsednc

低于50nA的低漏电流;fFsednc

电压和电流额定值分别高达100V和150mA;fFsednc

至少1500Vrms 的输入-输出隔离。fFsednc

当漏电流在限制范围内时,这将确保可靠的继电器把控制讯号与电池管理电路块充分隔离。有了这些少量的保护、控制和感测组件,电池管理系统将成为电动车内一个强大而可靠的子系统。fFsednc

引擎控制单元

引擎控制单元(ECU)是车辆的主要处理和控制单元。ECU控制马达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。fFsednc

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图 4:引擎控制单元/马达驱动方块图显示了推荐的保护、控制和感测组件所在的电路。fFsednc

辅助电源控制单元

辅助电源电路充当处理器和控制开关FET及马达动作的其他电路组件的低压电源。考虑使用高额定电流保险丝来保护该系统免受超载电流的影响,并使用快速保险丝来保护单一电路免受超载影响。 考虑使用为电池管理系统中的电池断开装置建议的相同保险丝。作为用于组件级保护的单次使用保险丝的替代方案,请考虑使用聚合物正温度系数(PPTC)可恢复式保险丝,该保险丝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。请物色具有以下特性的PPTC自恢复保险丝:fFsednc

额定电流高达15 A,额定电压约为60VDC;fFsednc

表面黏着封装有助于节省空间并可自动插入PCB。fFsednc

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。fFsednc

反极性电桥保护

反极性电桥保护电路可保护马达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,可以考虑使用萧特基二极管(它也可以用于DC-DC转换器电路中的整流)。萧特基二极管提供低正向压降以减少能量损失并允许转换器以更高频率运行来提高转换器效率,除此之外,更高频率的操作允许使用更小的感应组件,从而节省成本和PCB空间。由于该电路中使用了开关组件(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的组件。fFsednc

马达驱动电路

马达驱动电路包含驱动马达的功率输出电路。对于此电路,请考虑使用MOSFET或用于功率驱动的MOSFET模块。请寻求符合以下条件的MOSFET:fFsednc

低 Rds(on)可最大限度地减少开关功率损耗;fFsednc

高热效率和快速 dv/dt 额定值可有效驱动马达负载。fFsednc

使用闸极驱动器有效地控制 MOSFET。考虑用于控制高侧与低侧 MOSFET 输出配置的双输出组件。 除此之外,请寻求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10ns的驱动器。fFsednc

请务必使用数字温度指示器来监控马达驱动电路是否过热。图5显示其电阻与温度曲线的例子。该组件装置是一种聚合物温度指示器,当达到临界温度时,其电阻可以改变108倍。高电阻有效地为监控电路建立了一个积极的指示,然后监控电路可以关闭马达的电流。当温度下降到临界关断温度以下时,该组件将重置,马达可以恢复供电。或者,您可以选择类似推荐用于BMS电池保护模块的密封玻璃传感器的NTC温度传感器。fFsednc

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图5:热保护器和范例组件的电阻–温度曲线。fFsednc

 马达

关键驱动零件「马达」,应防止过热、转速过高和转子被死锁。两种感测组件可以解决这些情况。与推荐用于监控马达驱动电路的相同的 NTC温度传感器可以监控马达温度,霍尔传感器和开关可以监控马达速度和转子位置。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。物色开关寿命长的霍尔传感器和开关,以获得最大的可靠性。霍尔传感器开关最高可实现200亿次的开关操作。fFsednc

I/O通讯接口

I/O通讯接口使 ECU 能够与车辆感测和控制电路以及电池组状态线连接。按照BMS中I/O通讯接口的建议,使用TVS二极管数组保护接口的数据线免受 ESD和其他电气瞬变的影响。fFsednc

ECU是电动车中最为关键的系统,因此确保该系统得到适当保护极为重要。fFsednc

车载充电器

车载充电器将交流(AC)电源转换为DC电源,为电池组充电提供充电电压和电流。图6显示包含车载充电器的电路以及推荐用于各个电路的保护、控制和感测组件。fFsednc

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图 6:车载充电器方块图显示推荐的保护、控制和感测组件所在电路。fFsednc

输入保护、整流器和滤波器

由于该电路与AC电源线相连,因此该电路会受到AC电源在线可能出现的过电流条件和电压瞬变的影响。请使用延迟保险丝中断电流超载,并确保保险丝的额定电压超过线路电压。因为保险丝连接到AC线路,所以建议选择 UL或CSA组件认可的保险丝。为了满足车规质量,请考虑选择符合ISO 8820或通过AEC认证的保险丝。fFsednc

AC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能量的组件。对于在电压瞬变过程中需要尽量降低箝位电压的电路,可以考虑将金属氧化物压敏电阻(MOV)和保护闸流体串联起来。MOV版本可以吸收高达10kA的峰值电流,工作电压超过800VDC。它们还可以满足AEC-Q200规范对被动组件的质量要求。双向保护闸流体可以吸收高达3kA的浪涌电流,响应时间为毫微秒。请使用符合AEC-Q101规范的闸流体版本。与单独使用MOV相比,MOV和保护闸流体的串联可以允许较低的箝位电压。fFsednc

功率因子控制电路

功率因子控制(PFC)电路减少输入电压和从电源线汲取的电流之间的相位差,从而提高充电器的效率。这样可最大限度提高提供给设备的实际功率,并降低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500mΩ的低Rds(on) MOSFET,以最大限度地减少开关和传导损耗。除此之外,使用推荐用于BMS和ECU电路模块的高压版本TVS二极管,保护该电路免受自感应电压瞬变(主动箝位)的影响。fFsednc

高频转换器和箝位电路

高频变换器和箝位电路将AC正弦输入转换为高频方波因子。使用MOSFET建立方波讯号,可最大限度提高电路效率。使用推荐用于PFC电路的TVS二极管来保护此电路。fFsednc

输出整流和滤波电路

输出整流和滤波电路为电池组产生DC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℃的整流二极管以获得最大的可靠性。fFsednc

输出DC保护电路

输出DC保护电路将充电电压和电流连接到电池组。使用保险丝来防止电路因电池组、下游组件或系统短路而超载。使用与输入保护电路推荐的相同类型保险丝。fFsednc

I/O通讯接口

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二极管数组来保护I/O通讯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超载故障而发生灾难性故障。fFsednc

输入保护和滤波器

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:fFsednc

30kV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fFsednc

高达1kA的瞬态浪涌保护fFsednc

寻找符合AEC-Q101规范的组件。当 PCB 空间变得拥挤时,可寻求节省空间的表面黏着封装版本。fFsednc

两轮和三轮电动车的安全标准

请注意电动两轮和三轮车辆必须遵守的各国和国际安全标准。表1列出了这些标准。凭借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。fFsednc

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表 1:适用于两轮和三轮电动车的各国和国际安全标准。fFsednc

在设计受保护和高效电路方面的价值

使用推荐的保护、控制和感测组件,您可以实现市场要求的可靠性。您的设计将能够耐受过电流情况和瞬态超载。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。应用工程师们可以协助选择组件并提供有关遵守适用安全标准的指导。fFsednc

责编:DemifFsednc

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