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動(dòng)力電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)保護(hù)方案

出處:維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于:2023-06-25 11:36:44

    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),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。


   (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。



    PPTC在汽車(chē)電子電路中的典型應(yīng)用電路。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,需要考慮電路的工作電壓,工作電流、使用溫度及尺寸封裝。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。在實(shí)際測(cè)試中優(yōu)化選型參數(shù),達(dá)到的保護(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(xún)或與我們直接聯(lián)系來(lái)獲得選型上的幫助。
(2)均衡線(xiàn)束和采樣線(xiàn)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(xiàn)束和均衡線(xiàn)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)屬于別,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功能安全要求很高。


    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(xiàn)速的短路情形。所示某電動(dòng)汽車(chē)品牌Model S車(chē)型采用Fuse對(duì)線(xiàn)束進(jìn)行保護(hù)。采用PPTC或Fuse的線(xiàn)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)考慮模組遠(yuǎn)端的線(xiàn)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工作電流及相應(yīng)的溫度折減,采樣線(xiàn)路的工作電流通常較小,對(duì)于均衡線(xiàn)路,考慮功耗的情形,目前主動(dòng)均衡電流一般不超過(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(xiàn)的影響也需加以考量。

   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(xiàn)束入口處。對(duì)于均衡線(xiàn)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(xiàn)束連接。該保護(hù)方案,線(xiàn)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。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。

(4)通信總線(xiàn)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,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(mǎn)足要求。


   (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(xiàn)圈過(guò)載等。在設(shè)計(jì)時(shí)可以參照上述的情形。


    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,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。

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