動(dòng)力電池管理系統保護方案

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)都是消費者關(guān)注的重點(diǎn)。作為電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池系統的“大腦”，動(dòng)力電池管理系統(BMS)的設計和性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的使用和安全，產(chǎn)品應通過(guò)EMC測試，對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功能。BMS開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應符合ISO26262標準，其設計方法、安全技術(shù)、測試方法以及需要達到的技術(shù)指標的要求非常嚴格。

常規BMS系統框圖如圖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。在硬件設計過(guò)程中，為達成產(chǎn)品的高可靠性和安全性，在各功能區需要選擇PPTC、FUSE等被動(dòng)保護器件以保護電子電路在復雜電磁環(huán)境中的功能和安全。

圖1:BMS系統框圖

(1)控制單元電源輸入保護

在電動(dòng)汽車(chē)的使用過(guò)程中，其電子設備常常遭受瞬態(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，可以影響電子設備的正常工作或造成設備損壞?！　SO 7637中規定的5種脈沖用以模擬現實(shí)使用環(huán)境中可能出現的瞬態(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(shí)較難通過(guò)。設計上可以通過(guò)選用 PPTC和TVS實(shí)現電壓鉗位和限流的作用，保護下游電子電路的安全。PPTC由于其獨特的電阻溫度特性，可以在TVS導通后，抑制電流，減小TVS的瀉流時(shí)間，起到保護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抵御拋負載脈沖的影響。

表1:PPTC對拋負載測試的影響

圖2:PPTC在電子系統電源中的典型應用

PPTC 在汽車(chē)電子電路中的典型應用電路如圖2所示。PPTC的選用，不僅可以幫助系統通過(guò)拋負載等脈沖干擾測試，還可以抑制系統過(guò)流和保護短路的情形。在實(shí)際設計選型過(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)際測試中優(yōu)化選型參數，達到最優(yōu)的保護效果。TE Connectivity的Auto系列PPTC，適用于汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)品的應用，您可以通過(guò)查詢(xún)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(xiàn)束和采樣線(xiàn)束保護

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，電池包內使用的單體電芯應該在同一時(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(guān)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?！　MS系統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(shí)監控。同時(shí)，在單體電芯間出現不均衡現象時(shí)，通過(guò)能量的轉移或消耗的方式，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劃分，應屬于高級別，設計時(shí)對功能安全要求很高。

圖3:Model S在采樣均衡線(xiàn)束中的保護方案

成熟的保護方案，通常是采用PPTC或Fuse來(lái)保護采樣及均衡線(xiàn)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對線(xiàn)束進(jìn)行保護。采用PPTC或Fuse的線(xiàn)束保護方案，在選型時(shí)，PPTC額定電壓或Fuse分斷電壓的選取應考慮模組最遠端的線(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最大工作電流及相應的溫度折減，采樣線(xiàn)路的工作電流通常較小，對于均衡線(xiàn)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的電阻壓降對于采樣線(xiàn)的影響也需加以考量。典型的應用示意圖如圖4。

圖4:PPTC、FUSE在采樣均衡線(xiàn)束中的典型應用

考慮保護器件組裝的情形，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。該保護方案，線(xiàn)束短路情況下，電池會(huì )得到更為全面的保護。