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Littelfuse針對中國電動汽車高壓電池系統的保護方案

2016-09-12

    據稱比亞迪、江淮、北汽等國內主流電動汽車車廠們比國外的電池組電壓都高一倍,還在往1000V及以上的電池組發展。這么高的電壓,安全嗎?
    電池一直是電動車中最受關注的部件。但是在電池組的選擇上,中國車廠和外國車廠選擇了一條明顯不同的道路。
舉例來說,電動汽車賣的最好的車型日產聆風(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。但相比國外廠商,國內電動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。
    據稱比亞迪、江淮、北汽等國內主流電動汽車車廠們還在往1000V及以上的電池組發展。“電池組電壓高有兩個好處,一是能量/功耗損失小,二是電機驅動效率更高。我認為這是個好的趨勢,也應該是今后的一個發展方向。”Littelfuse公司中國及香港地區銷售總監查勇表示。
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荷的狀態,可靠性也會提高。
    對設計師來說,電池組的電壓高低直接影響電池的數量。同時,針對更高電壓的電池組,用于主回路主電流的保險絲和保護器件都需要專用的高壓器件,對IGBT等功率器件的需求也和低壓電池組不同。
單個鋰電池的容量和電壓都是比較小的,要達到比較大的電壓就要串聯,大的電流就要并聯,任何一個電動車的電池組都是串并聯的結合體。由于為電動汽車提供電力的絕大多數電池組由若干鋰離子電池組成的,設計出有效而且可靠的電池管理系統(BMS),才能保證電池組的安全運行。
    監測單個電池或電池組的電壓是此類電池管理系統的一個關鍵功能,Littelfuse也在積極和BMS主芯片廠商合作,為供電線路和電池監測感應線路提供保護方案。
    下圖所示為高壓電池系統結構及保護需求。跟隨客戶需求,Littelfuse也在不斷發展自己的產品,保護方案最高已經做到了1500V。

圖:高壓電池系統結構及保護需求 

   (其中,1代表對傳感器線路進行短路保護的傳感器線路保險絲;2代表電池監測集成電路傳感器線路輸入過電壓保護;3代表菊鏈I/F的過電壓/ESD保護;4代表整個電池串上的高電壓TVS用于瞬變保護;5代表CAN總線I/F的過電壓/ESD保護;6代表用于電力線保護的高電壓/高電流保險絲。)
任何類型電動汽車的電池管理系統都是高度復雜和任務關鍵性系統,需要精心選擇和正確放置的保護元件進行過電壓和短路保護。上圖為Littelfuse的保護方案。以cell為單位進行主動/被動均衡傳輸,每條傳感線上都要有過壓過流保護,另外CAN總線上需要有對通信接口的ESD。“由一個主芯片來控制12-16路傳感/均衡線,和CAN總線的接口也要保護。如果是700V的電池組,就需要180~200路的保護,十幾個類似的接口。”查勇指出。
更進一步的安全:把保護做進電池里對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設計者的眼里都是一樣的,一般只需要關注基本點,保持電池充放電和作安全運行即可。
    “針對不同材料的電池,業界在板級保護方面目前并沒有不同,只是根據電流電壓作參數來進行設計保護,而從不關注是用哪種類型的電池。”查勇指出,一般提到BMS保護就是在電流回路里做過流和過壓保護,以防止在極端電壓條件下發生過負載、過充、或著短路著火等情況。
在板級的保護雖然沒有不同,但是Littelfuse針對不同材料的鋰電池,和主要電芯供應商,包括日本、韓國和國內的廠商,探討更深層次的、更全面的動力電池的保護,深入涉及到保護材料,比如PTC正溫度系數電阻材料,并設法把這個材料植入進電池的正極,也就是說從電池單體上就做到完整的保護。
Littelfuse在去年收購了TE的電路保護部門(RayChem),該業務部在基于聚合物的自恢復電路保護領域非常出色。
保險絲認證測試Littelfuse是汽車保險絲的發明者,但電動車的保險絲和汽油車還是有區別的,以貼片型保險絲替代了傳統上的刀片型插件。
然而在汽車中使用的電子保險絲現在還沒有統一的官方標準,企業只是根據自己的經驗提供一些性能參數。Littelfuse根據AEC-Q200準則制定了一項測試計劃,對保險絲對汽車應用的適用性和可靠性進行測試。(Littelfuse也是AEC-Q的成員之一,而且有兩位專家在AEC-Q委員會里。) Littelfuse作為汽車領域電路保護的專家,積極參與制定電動汽車保險管的安規要求。
   “我們和客戶,行業協會在做溝通交流,主要是針對可靠性測試方面。簡單講,包括工業類、通信類、家用類,對震動和溫度循環等都不會有非常高的要求,但汽車應用因為使用環境惡劣,且和人身安全相關,要求自然不同。”查勇指出。 這項測試計劃包 18項測試,例如1000小時高溫高濕測試、1000循環溫度沖擊測試、特殊機械沖擊及振動測試等,所用的樣本量也有更加嚴格的要求。“只是一次測試做到了還不夠,如何保證每批貨都通過這個測試?整個質量控制體系需要廠商能夠持續性提供高品質。可能有些廠商這批貨通過了這個測試,但是事實上在整個質量體系保證中對汽車元器件的生產也有這個規范,我們在生產/管理體系過程中也是采用了汽車元器件質量體系規范,這個是友商不具備的。”查勇強調說。

 

 

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