動力電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)保護(hù)方案

電動汽車的安全性，尤其是動力電池的安全性，一直以來都是消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。作為電動車動力電池系統(tǒng)的“大腦”，動力電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計和性能直接影響電動汽車的使用和安全，產(chǎn)品應(yīng)通過EMC測試，對于使用中可能存在的過載、短路、浪涌、靜電等具有完善的保護(hù)功能。BMS開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計方法、安全技術(shù)、測試方法以及需要達(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)計過程中，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)

在電動汽車的使用過程中，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，測試時較難通過。設(shè)計上可以通過選用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的瀉流時間，起到保護(hù)TVS及后級電路作用。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對拋負(fù)載測試的影響



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)通過拋負(fù)載等脈沖干擾測試，還可以抑制系統(tǒng)過流和保護(hù)短路的情形。在實(shí)際設(shè)計選型過程中，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。對于一些過流故障情況下的動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，適用于汽車相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用，您可以通過查詢官網(wǎng)或與我們直接聯(lián)系來獲得選型上的幫助。

（2）均衡線束和采樣線束保護(hù)

動力電池需要經(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)該在同一時間采用相同的生產(chǎn)工藝制造出來，所有電芯應(yīng)具有高度的一致性。然而，鑒于實(shí)際生產(chǎn)過程中的波動，即使對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，這些差異還會由于各個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單體電芯電壓等狀態(tài)變量進(jìn)行采樣，實(shí)時監(jiān)控。同時，在單體電芯間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時，通過能量的轉(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汽車電池直接相連，硬件上的任何短路都會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劃分，應(yīng)屬于高級別，設(shè)計時對功能安全要求很高。


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所示某知名電動汽車品牌Model S車型采用Fuse對線束進(jìn)行保護(hù)。采用PPTC或Fuse的線束保護(hù)方案，在選型時，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，對于均衡線路，考慮功耗的情形，目前主動均衡電流最高一般不超過2A，被動均衡電流通常不超過1A。另外PPTC的電阻壓降對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，同時也易于與線束連接。該保護(hù)方案，線束短路情況下，電池會得到更為全面的保護(hù)。

（3）溫度監(jiān)測

動力電池成組后，實(shí)際使用過程中熱量分布是不均勻的。成熟的熱管理方案應(yīng)該能夠較好地感測電池包內(nèi)部不同位置的溫度，特別是在個別電池由于故障而產(chǎn)生過高的溫度時能夠及時的通知系統(tǒng)做出相應(yīng)動作。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)用中常常會出現(xiàn)發(fā)送輸出級對電源及地或負(fù)載短路及瞬態(tài)電壓干擾等現(xiàn)象，常見的故障包括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)計過程中，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的選型過程與電源輸入電路PPTC選型類似，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、過載電流等過壓和過流的故障情形，如二極管短路、風(fēng)扇線圈過載等。在設(shè)計時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的過溫保護(hù)器件RTP是個不錯的選擇。RTP作為溫度保險絲，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，一旦器件感測到功率器件等過熱即會切斷電路，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