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Littelfuse針對(duì)中國(guó)電動(dòng)汽車高壓電池系統(tǒng)的保護(hù)方案

2016-09-12

    據(jù)稱比亞迪、江淮、北汽等國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)汽車車廠們比國(guó)外的電池組電壓都高一倍,還在往1000V及以上的電池組發(fā)展。這么高的電壓,安全嗎?
    電池一直是電動(dòng)車中最受關(guān)注的部件。但是在電池組的選擇上,中國(guó)車廠和外國(guó)車廠選擇了一條明顯不同的道路。
舉例來說,電動(dòng)汽車賣的最好的車型日產(chǎn)聆風(fēng)(leaf),其電池組電壓為360V;三菱的i-MiEV是300V;7000顆18650鋰電組成的特斯拉電池組電壓也只有400V。但相比國(guó)外廠商,國(guó)內(nèi)電動(dòng)車的電池組電壓要高很多,例如比亞迪秦的電池是560V,而唐的電池組電壓是700V。
    據(jù)稱比亞迪、江淮、北汽等國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)汽車車廠們還在往1000V及以上的電池組發(fā)展。“電池組電壓高有兩個(gè)好處,一是能量/功耗損失小,二是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率更高。我認(rèn)為這是個(gè)好的趨勢(shì),也應(yīng)該是今后的一個(gè)發(fā)展方向。”Littelfuse公司中國(guó)及香港地區(qū)銷售總監(jiān)查勇表示。
為此,EDN的記者也特地咨詢了一位車廠的專家,他指出,車廠將電池組電壓升高還有個(gè)好處是,在輸出功率相同的情況下,增加電池組電壓就可以降低工作電流,這對(duì)外圍器件性能需求/成本影響比較大,而且器件可以工作在輕負(fù)荷的狀態(tài),可靠性也會(huì)提高。
    對(duì)設(shè)計(jì)師來說,電池組的電壓高低直接影響電池的數(shù)量。同時(shí),針對(duì)更高電壓的電池組,用于主回路主電流的保險(xiǎn)絲和保護(hù)器件都需要專用的高壓器件,對(duì)IGBT等功率器件的需求也和低壓電池組不同。
單個(gè)鋰電池的容量和電壓都是比較小的,要達(dá)到比較大的電壓就要串聯(lián),大的電流就要并聯(lián),任何一個(gè)電動(dòng)車的電池組都是串并聯(lián)的結(jié)合體。由于為電動(dòng)汽車提供電力的絕大多數(shù)電池組由若干鋰離子電池組成的,設(shè)計(jì)出有效而且可靠的電池管理系統(tǒng)(BMS),才能保證電池組的安全運(yùn)行。
    監(jiān)測(cè)單個(gè)電池或電池組的電壓是此類電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能,Littelfuse也在積極和BMS主芯片廠商合作,為供電線路和電池監(jiān)測(cè)感應(yīng)線路提供保護(hù)方案。
    下圖所示為高壓電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)需求。跟隨客戶需求,Littelfuse也在不斷發(fā)展自己的產(chǎn)品,保護(hù)方案最高已經(jīng)做到了1500V。

圖:高壓電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)需求 

   (其中,1代表對(duì)傳感器線路進(jìn)行短路保護(hù)的傳感器線路保險(xiǎn)絲;2代表電池監(jiān)測(cè)集成電路傳感器線路輸入過電壓保護(hù);3代表菊鏈I/F的過電壓/ESD保護(hù);4代表整個(gè)電池串上的高電壓TVS用于瞬變保護(hù);5代表CAN總線I/F的過電壓/ESD保護(hù);6代表用于電力線保護(hù)的高電壓/高電流保險(xiǎn)絲。)
任何類型電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)都是高度復(fù)雜和任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng),需要精心選擇和正確放置的保護(hù)元件進(jìn)行過電壓和短路保護(hù)。上圖為L(zhǎng)ittelfuse的保護(hù)方案。以cell為單位進(jìn)行主動(dòng)/被動(dòng)均衡傳輸,每條傳感線上都要有過壓過流保護(hù),另外CAN總線上需要有對(duì)通信接口的ESD。“由一個(gè)主芯片來控制12-16路傳感/均衡線,和CAN總線的接口也要保護(hù)。如果是700V的電池組,就需要180~200路的保護(hù),十幾個(gè)類似的接口。”查勇指出。
更進(jìn)一步的安全:把保護(hù)做進(jìn)電池里對(duì)溫度敏感是鋰電天生的缺陷,如果過充過載,很容易起火燃燒甚至爆炸。 但是,鐵鋰、三元鋰等不同材料的電池在大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的眼里都是一樣的,一般只需要關(guān)注基本點(diǎn),保持電池充放電和作安全運(yùn)行即可。
    “針對(duì)不同材料的電池,業(yè)界在板級(jí)保護(hù)方面目前并沒有不同,只是根據(jù)電流電壓作參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)保護(hù),而從不關(guān)注是用哪種類型的電池。”查勇指出,一般提到BMS保護(hù)就是在電流回路里做過流和過壓保護(hù),以防止在極端電壓條件下發(fā)生過負(fù)載、過充、或著短路著火等情況。
在板級(jí)的保護(hù)雖然沒有不同,但是Littelfuse針對(duì)不同材料的鋰電池,和主要電芯供應(yīng)商,包括日本、韓國(guó)和國(guó)內(nèi)的廠商,探討更深層次的、更全面的動(dòng)力電池的保護(hù),深入涉及到保護(hù)材料,比如PTC正溫度系數(shù)電阻材料,并設(shè)法把這個(gè)材料植入進(jìn)電池的正極,也就是說從電池單體上就做到完整的保護(hù)。
Littelfuse在去年收購(gòu)了TE的電路保護(hù)部門(RayChem),該業(yè)務(wù)部在基于聚合物的自恢復(fù)電路保護(hù)領(lǐng)域非常出色。
保險(xiǎn)絲認(rèn)證測(cè)試Littelfuse是汽車保險(xiǎn)絲的發(fā)明者,但電動(dòng)車的保險(xiǎn)絲和汽油車還是有區(qū)別的,以貼片型保險(xiǎn)絲替代了傳統(tǒng)上的刀片型插件。
然而在汽車中使用的電子保險(xiǎn)絲現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的官方標(biāo)準(zhǔn),企業(yè)只是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提供一些性能參數(shù)。Littelfuse根據(jù)AEC-Q200準(zhǔn)則制定了一項(xiàng)測(cè)試計(jì)劃,對(duì)保險(xiǎn)絲對(duì)汽車應(yīng)用的適用性和可靠性進(jìn)行測(cè)試。(Littelfuse也是AEC-Q的成員之一,而且有兩位專家在AEC-Q委員會(huì)里。) Littelfuse作為汽車領(lǐng)域電路保護(hù)的專家,積極參與制定電動(dòng)汽車保險(xiǎn)管的安規(guī)要求。
   “我們和客戶,行業(yè)協(xié)會(huì)在做溝通交流,主要是針對(duì)可靠性測(cè)試方面。簡(jiǎn)單講,包括工業(yè)類、通信類、家用類,對(duì)震動(dòng)和溫度循環(huán)等都不會(huì)有非常高的要求,但汽車應(yīng)用因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣,且和人身安全相關(guān),要求自然不同。”查勇指出。 這項(xiàng)測(cè)試計(jì)劃包 18項(xiàng)測(cè)試,例如1000小時(shí)高溫高濕測(cè)試、1000循環(huán)溫度沖擊測(cè)試、特殊機(jī)械沖擊及振動(dòng)測(cè)試等,所用的樣本量也有更加嚴(yán)格的要求。“只是一次測(cè)試做到了還不夠,如何保證每批貨都通過這個(gè)測(cè)試?整個(gè)質(zhì)量控制體系需要廠商能夠持續(xù)性提供高品質(zhì)。可能有些廠商這批貨通過了這個(gè)測(cè)試,但是事實(shí)上在整個(gè)質(zhì)量體系保證中對(duì)汽車元器件的生產(chǎn)也有這個(gè)規(guī)范,我們?cè)谏a(chǎn)/管理體系過程中也是采用了汽車元器件質(zhì)量體系規(guī)范,這個(gè)是友商不具備的。”查勇強(qiáng)調(diào)說。

 

 

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