推动电动汽车的未来发展

日期:2019-08-13

功率密度增加,高效的功率转换和可靠的电路保护对于实现电动汽车的未来至关重要
 
作者:Littelfuse半导体事业部汽车电源控制全球总监Carlos Castro
 
电动汽车即将实现大幅增长,从2019年估计的600万辆增加到2023年的1600万辆。新技术正在实现这一巨大变化,包括更高效的功率转换和更高的功率密度。 还需要新的电路保护策略来保护电池管理系统(BMS)免受更高功率的影响。
高效的功率转换
功率损耗会降低车辆的行驶里程。 而且,在车辆充电期间,损耗以热量和充电时间的形式构成工程挑战。 这就是业界采用宽带隙功率半导体器件的原因,这些器件在功率转换期间提供更高的功率效率。 特别是,碳化硅器件现在价格合理,具有汽车级可靠性(图1)。

1.与硅器件相比,碳化硅肖特基二极管和MOSFET(如Littelfuse所示图片)的功率开关损耗更低。

碳化硅器件的另一个优点是它们可利用较小的无源元件(即电感器),并且对散热器的需求较少。 特别是在混合动力车辆中,空间非常宝贵,即使少量的重量也会降低车辆性能。
功率密度
随着锂离子电池的功率密度增加,车辆每次充电的行驶里程越来越长,使得电动车对消费者更具吸引力。 与此同时,高功率车辆充电站正在兴起,大大缩短了充电时间,这也将增加电动车的采用率。
主要的汽车公司提供的锂电池能够达到每公斤250瓦时(Wh / kg),其目标是在几年内达到350 Wh / kg。 政府和行业的研究人员正在研究可以远远超过目前可用功率密度的电池设计。
锂离子电池为汽车设计者提供了较长的充电周期和能量密度,但它们可能很挑剔。过充电和高放电会降低锂离子电池的寿命和效率。电流过大可能导致短路和锂枝晶及析锂,最终破坏电池。欠压会破坏电极。极端的电池温度会导致短路和可燃气体的排出。为了使电池安全运行,BMS必须小心地管理充电和放电,并保持大约20%到90%的充电状态
电路保护
随着电池功率密度的增加和充电电压的增加,适当保护电池和BMS电路的重要性也随之增加,而BMS正是这场绿色革命的核心。如果它没有足够的保护来抵御各种电气威胁,那么电池故障将使消费者失去兴趣,在最坏的情况下,会导致危险的火灾和电击危险。
车辆设计者面临的挑战是BMS尚未出现标准。 与成熟的内燃机技术不同,电动汽车仍处于发展的早期阶段。 每个汽车制造商都试图通过新的方式找到最佳方式:新架构,新电压等级以及从机械到电气指标调整性能的新方法。这导致了如何最好地保护电路的困惑。
过流保护
BMS和电池面临着各种电气威胁。考虑到它是一个高能量系统,运行在数百安培之下,最明显的威胁是过电流。在发生事故的情况下,被刺穿电池与汽车的金属底盘接触会导致火灾或电击危险。
因此,直流保险丝将部署在多个战略位置。它们会迅速中断高值过电流和短路。电动汽车应用中使用的保险丝必须符合汽车标准。这非常不容易。与用于保护平板电脑和手机锂电池的保险丝不同,汽车保险丝必须能够承受极端冲击和振动。汽车保险丝预计在15年的寿命周期内保持可靠,包括8000小时的工作时间和15万英里的道路振动。小尺寸对于减少可能受振动影响的质量至关重要,但是电动汽车的高功率又要求保险丝相对较大。温度是一个复合环境因素;保险丝必须具有低的温度降额,因此在温度升高时不会过早打开。
浪涌和ESD保护
BMS与充电系统持续通信,以防止电池过度充电。它控制充电速度,当电池接近达到容量时减慢充电速度,以避免过热。BMS根据电池组的容量来控制充电速度,越来越多的车辆拥有能够快速充电的大容量电池。
随着电动汽车充电向更高的电压和电流移动,电池、BMS和充电器之间的通信变得越来越重要,必须加以保护。
TVS二极管和二极管阵列用于保护通信线路(通常是CAN总线)免受静电放电和附近雷击引起的瞬态电压的影响。这些器件的选择以及它们在电路中的位置取决于BMS架构。
BMS架构
在电动汽车中,电池是串联的,构成一个模块。当模块串联时,系统的总电压增加。接下来,模块并联以增加能量容量。当设计人员向BMS添加模块时,成本和复杂性会增加。
每个电池模块都有电池监控系统。这些子系统监测电压以获得适当的平衡。然后,微控制器监控每个模块,以提供电池的最高能效和最长寿命。
BMS的特定架构决定了保护规格,例如中断额定值和电压范围。
在分散式架构中,检测均衡IC通过电池和从板之间的长导线连接。 高压保险丝用于降低在高压条件下事故中模块以及电池之间发生短路的风险。 如果某个元件在这种分散式架构中受损,则可以单独更换,从而使其成本更低,选择更简单。
在集中式架构中,所有元件都集成到单个模块中。 但是,如果一个元件发生故障,则必须以更高的成本更换整个模块。
在这种架构下,电池和从板之间的距离较小,因此在高压条件下发生事故的可能性较小。然而,应使用低成本的中低压保险丝来防止BMS板上的元件故障和污染。必须考虑两种类型的故障:短路和过载情况。
由于每个电池的传感线,任何电池都有可能发生短路。 当电池监测模块或直接连线过电流时必须熔断。
应用电路保护
图2显示了存在损坏风险的系统元件以及最适合其电路保护的器件类型。
  • 用于监控电池的集成电路–TVS二极管防止过电压
  • 装置之间的通信线路–TVS二极管阵列防止ESD
  • 电池集成电路  - 电压瞬变时的高压TVS二极管
  • 微控制器 -  TVS二极管阵列
  • 主开关 - 与主开关串联的高电压 - 高电流保险丝,作为最终保护屏障
  • 逆变器和DC / DC转换器 - 高压TVS二极管

2. BMS框图。 电路保护的位置包括保险丝(1),TVS二极管(3,5),TVS二极管阵列(4,6)和高压保险丝(7

许多供应商都提供汽车级电路保护元件(图3a和3b)。 由于汽车电路保护的关键任务特性,设计工程师将受益于与了解整个BMS生态系统并提供各种技术解决方案的供应商合作。


3a和图3b: BMS保护要求使用符合AEC-Q标准的汽车元件。例子包括Littelfuse 441A陶瓷保险丝和TPSMB TVS二极管。TVS二极管防止二次感应瞬态电压
与许多电路保护几乎是事后才想到的应用不同,车辆电气化是设计工程师认识到其关键作用的一个领域。测试正在从最后阶段移到过程的早期阶段。许多供应商提供定制的模拟测试,可以在开发期间验证设计。标准测试在这个快速发展的市场中并不存在,因此设计师和元件供应商必须作为一个团队一起工作,共同开发专业知识。此外,为了在汽车安全标准范围内达到最佳的保护选择,汽车工程师应接受现行安全标准及其要求的教育。他们的供应商往往处于最佳位置,对他们进行教育。
 
随着消费者和政府推动汽车制造商走向更加绿色的未来,他们必须找到解决方案来解决许多工程挑战,包括电路保护。 与知识渊博的供应商合作,他们正在创造新一代安全可靠的电动汽车。
Littelfuse, Inc.
www.littelfuse.com
 



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