動(dòng)力電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)保護(hù)方案

電動(dòng)汽車(chē)的安全性，尤其是動(dòng)力電池的安全性，一直以來(lái)都是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。作為電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的“大腦”，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)和性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的使用和安全，產(chǎn)品應(yīng)通過(guò)EMC測(cè)試，對(duì)于使用中可能存在的過(guò)載、短路、浪涌、靜電等具有完善的保護(hù)功能。BMS開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)方法、安全技術(shù)、測(cè)試方法以及需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)的要求非常嚴(yán)格。

常規(guī)BMS系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由主控單元、從控單元、信息采集單元、信息傳輸及顯示單元等組成。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為達(dá)成產(chǎn)品的高可靠性和安全性，在各功能區(qū)需要選擇PPTC、FUSE等被動(dòng)保護(hù)器件以保護(hù)電子電路在復(fù)雜電磁環(huán)境中的功能和安全。


圖1:BMS系統(tǒng)框圖

（1）控制單元電源輸入保護(hù)

在電動(dòng)汽車(chē)的使用過(guò)程中，其電子設(shè)備常常遭受瞬態(tài)脈沖騷擾源的干擾，其形態(tài)為各種瞬變電壓或者電路開(kāi)斷瞬間的電弧等，可以影響電子設(shè)備的正常工作或造成設(shè)備損壞。

ISO 7637中規(guī)定的5種脈沖用以模擬現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓變化，脈沖1、脈沖2b及脈沖5屬于高能量脈沖，測(cè)試時(shí)較難通過(guò)。設(shè)計(jì)上可以通過(guò)選用PPTC和TVS實(shí)現(xiàn)電壓鉗位和限流的作用，保護(hù)下游電子電路的安全。PPTC由于其獨(dú)特的電阻溫度特性，可以在TVS導(dǎo)通后，抑制電流，減小TVS的瀉流時(shí)間，起到保護(hù)TVS及后級(jí)電路作用。由表1可以看出，PPTC與TVS的組合方案可以更好地幫助電子系統(tǒng)抵御拋負(fù)載脈沖的影響。

表1:PPTC對(duì)拋負(fù)載測(cè)試的影響



圖2:PPTC在電子系統(tǒng)電源中的典型應(yīng)用

PPTC在汽車(chē)電子電路中的典型應(yīng)用電路如圖2所示。PPTC的選用，不僅可以幫助系統(tǒng)通過(guò)拋負(fù)載等脈沖干擾測(cè)試，還可以抑制系統(tǒng)過(guò)流和保護(hù)短路的情形。在實(shí)際設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，需要考慮電路的最高工作電壓，最大工作電流、使用最高溫度及尺寸封裝。對(duì)于一些過(guò)流故障情況下的動(dòng)作要求及高溫下的保持電流折減也要有充分的考慮。最后在實(shí)際測(cè)試中優(yōu)化選型參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的保護(hù)效果。TE Connectivity的Auto系列PPTC，適用于汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用，您可以通過(guò)查詢官網(wǎng)或與我們直接聯(lián)系來(lái)獲得選型上的幫助。

（2）均衡線束和采樣線束保護(hù)

動(dòng)力電池需要經(jīng)由單體電芯串并聯(lián)組成，理想的情況下，電池包內(nèi)使用的單體電芯應(yīng)該在同一時(shí)間采用相同的生產(chǎn)工藝制造出來(lái)，所有電芯應(yīng)具有高度的一致性。然而，鑒于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的波動(dòng)，即使對(duì)同一電池包所采用的電芯進(jìn)行一致性分組，單體電芯間的差異仍然是客觀存在的。另一方面，由于動(dòng)力電池包體積較大，不同位置的電芯的使用環(huán)境也存在差異。在單體電芯串并成組后，這些差異還會(huì)由于各個(gè)電芯衰減的不一致而進(jìn)一步變大，從而使電池包的壽命、可靠性及安全等諸多方面難以得到保證。

BMS系統(tǒng)比較重要的功能就包括對(duì)單體電芯電壓等狀態(tài)變量進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，在單體電芯間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)能量的轉(zhuǎn)移或消耗的方式，使各串電池得以均衡。采樣線束和均衡線束由于與電動(dòng)汽車(chē)電池直接相連，硬件上的任何短路都會(huì)造成電池的直接短路，而危及使用者的人身安全。按照ISO26262的功能安全完整性等級(jí)劃分，應(yīng)屬于高級(jí)別，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功能安全要求很高。


圖3:Model S在采樣均衡線束中的保護(hù)方案

成熟的保護(hù)方案，通常是采用PPTC或Fuse來(lái)保護(hù)采樣及均衡線速的短路情形。如圖3所示某知名電動(dòng)汽車(chē)品牌Model S車(chē)型采用Fuse對(duì)線束進(jìn)行保護(hù)。采用PPTC或Fuse的線束保護(hù)方案，在選型時(shí)，PPTC額定電壓或Fuse分?jǐn)嚯妷旱倪x取應(yīng)考慮模組最遠(yuǎn)端的線束短路情形；而PPTC保持電流或Fuse的額定工作電流的確定需要充分考慮最大工作電流及相應(yīng)的溫度折減，采樣線路的工作電流通常較小，對(duì)于均衡線路，考慮功耗的情形，目前主動(dòng)均衡電流最高一般不超過(guò)2A，被動(dòng)均衡電流通常不超過(guò)1A。另外PPTC的電阻壓降對(duì)于采樣線的影響也需加以考量。典型的應(yīng)用示意圖如圖4。


圖4:PPTC、FUSE在采樣均衡線束中的典型應(yīng)用

考慮保護(hù)器件組裝的情形，目前較多采用表貼器件，置于BMS板線束入口處。對(duì)于均衡線束，一種更為理想的方式是采用TE的Strap PPTC，如LR4系列。Strap PPTC的引腳為Ni，比較容易焊接在電芯端子上，同時(shí)也易于與線束連接。該保護(hù)方案，線束短路情況下，電池會(huì)得到更為全面的保護(hù)。

（3）溫度監(jiān)測(cè)

動(dòng)力電池成組后，實(shí)際使用過(guò)程中熱量分布是不均勻的。成熟的熱管理方案應(yīng)該能夠較好地感測(cè)電池包內(nèi)部不同位置的溫度，特別是在個(gè)別電池由于故障而產(chǎn)生過(guò)高的溫度時(shí)能夠及時(shí)的通知系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作。如圖5所示，PPTC阻值隨溫度變化的特性可以幫助系統(tǒng)探知電池組內(nèi)是否有部分電池出現(xiàn)過(guò)熱的情形，避免熱失控的發(fā)生。


圖5:PPTC作為溫度sensor

（4）通信總線保護(hù)

BMS中，各單元模塊以及與上級(jí)系統(tǒng)之間需要通信，完成信息的傳遞。目前較多采用CAN bus接口協(xié)議。CAN bus在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)出現(xiàn)發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源及地或負(fù)載短路及瞬態(tài)電壓干擾等現(xiàn)象，常見(jiàn)的故障包括CAN-Low與電池短接、CAN-Low與地短接以及CAN-Low與CAN-High短接等情形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用PPTC和TVS組成保護(hù)電路，保護(hù)各種短路和其他過(guò)電流的情形，如圖6所示某BMS生產(chǎn)商采用的保護(hù)方案。PPTC的選型過(guò)程與電源輸入電路PPTC選型類(lèi)似，考慮CAN bus的通用性，其工作電流通常為幾十mA，通常選用nanoASMD012F即可滿足要求。


圖6:PPTC在CAN bus中的典型應(yīng)用

（5）其他單元的保護(hù)

BMS系統(tǒng)較為復(fù)雜，各單元電路中均存在瞬態(tài)脈沖干擾、短路、過(guò)載電流等過(guò)壓和過(guò)流的故障情形，如二極管短路、風(fēng)扇線圈過(guò)載等。在設(shè)計(jì)時(shí)可以參照上述案例的情形。


圖7:RTP保護(hù)功率器件

而在某些功率器件處，由于熱失控可能造成極為惡劣的事故，TE的過(guò)溫保護(hù)器件RTP是個(gè)不錯(cuò)的選擇。RTP作為溫度保險(xiǎn)絲，可以實(shí)現(xiàn)回流焊接組裝。在實(shí)際應(yīng)用中，如圖7所示，一旦器件感測(cè)到功率器件等過(guò)熱即會(huì)切斷電路，避免災(zāi)難性后果。

綜上，TE多樣化的產(chǎn)品，為BMS系統(tǒng)提供了必須的被動(dòng)保護(hù)，可供參考的應(yīng)用如表2。您可以登錄TE網(wǎng)站或聯(lián)系我們尋求產(chǎn)品及應(yīng)用上的技術(shù)支持。

表2:TE推薦的參考應(yīng)用方案