為電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)提供動(dòng)力

更高的功率密度、高效的功率轉換和可靠的電路保護對電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)至關(guān)重要

圖1. 碳化硅肖特基二極管和MOSFET，就像這些來(lái)自L(fǎng)ittlefuse的圖片，與硅器件相比，功率開(kāi)關(guān)損耗更低。

電動(dòng)汽車(chē)有望實(shí)現高速增長(cháng)，從2019年的600萬(wàn)輛增至2023年的1600萬(wàn)輛。新技術(shù)正在推動(dòng)這一巨大變化，包括更高效的功率轉換和更高的功率密度。 還需要新的電路保護策略來(lái)保護電池管理系統（BMS）免受更高功率的影響。

高效功率轉換

功率損耗會(huì )降低車(chē)輛的行駛里程。 而且，在車(chē)輛充電期間，損耗以熱量和充電時(shí)間的形式引起工程挑戰。 這就是為什么業(yè)界在功率轉換上采用提供更高功率效率的寬帶隙功率半導體器件的原因。 特別是，碳化硅器件現在價(jià)格合理，而且具有汽車(chē)級的可靠性（圖1）。

碳化硅器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們利用了較小的無(wú)源元件（如電感器），并且對散熱片的需求更少。 尤其是在混合動(dòng)力汽車(chē)中，空間非常寶貴，即使是很小的重量也會(huì )影響到汽車(chē)的性能。

功率密度

隨著(zhù)鋰離子電池功率密度的提高，車(chē)輛每次充電可實(shí)現更長(cháng)的行駛里程，從而使電動(dòng)汽車(chē)對消費者更具吸引力。 同時(shí)，正在出現的大功率汽車(chē)充電站，可大大縮短充電時(shí)間，這也將增加電動(dòng)汽車(chē)的普及率。

各大汽車(chē)公司正在可提供每公斤250瓦時(shí)（wh/kg）的鋰電池汽車(chē)，其目標是在幾年內達到350瓦時(shí)/公斤。政府和行業(yè)研究人員正在研究電池設計，這種設計可能遠遠超過(guò)目前可用的功率密度。

鋰離子電池為車(chē)輛設計人員提供了較長(cháng)的充電周期壽命和功率密度，但是它們可能有些挑剔。 過(guò)度充電和高放電會(huì )降低鋰離子電池的壽命和效率。極端的電流流動(dòng)可能會(huì )導致短路和樹(shù)枝狀鋰電鍍，最終破壞電池。 欠電壓會(huì )損壞電極。 極端的電池溫度可能會(huì )導致短路和易燃氣體的釋放。 為了使電池安全運行，電池管理系統必須仔細管理充電和放電，并保持大約20％至90％的充電狀態(tài)。

電路保護

隨著(zhù)電池功率密度的增加和充電電壓的增加，對電池和電池管理系統進(jìn)行適當的電路保護的重要性也在不斷提高，這是這場(chǎng)綠色革命的核心。 如果不能充分保護其免受各種電氣威脅的侵害，那么電池故障將關(guān)閉用戶(hù)電源，并且在最壞的情況下，將導致火災和電擊危險。

汽車(chē)設計師面臨的挑戰是，電池管理系統的標準尚未出臺。與成熟的內燃機技術(shù)不同，電動(dòng)汽車(chē)還處于起步階段。每一個(gè)汽車(chē)制造商都試圖通過(guò)一種新的方法來(lái)尋找最好的方法：新的架構，新的電壓等級，以及適應從機械到電氣的性能的新方法。這導致了關(guān)于如何最好地保護電路的困惑。

過(guò)電流保護

電池管理系統和電池面臨各種電氣威脅?？紤]到它是一個(gè)運行在數百安培下的高能系統，最明顯的威脅是過(guò)電流。一旦發(fā)生事故，被刺穿或弄皺的電池會(huì )與汽車(chē)的金屬底盤(pán)接觸，從而引起火災或電擊危險。

因此，直流熔斷器部署在多個(gè)關(guān)鍵位置。 它們會(huì )迅速中斷高值過(guò)電流和短路。 電動(dòng)汽車(chē)應用中使用的保險絲必須符合汽車(chē)標準。 這并不容易。 與用于保護平板電腦和手機中鋰電池的保險絲不同，汽車(chē)熔斷器必須承受極強的沖擊和振動(dòng)。汽車(chē)保險絲在15年的使用周期內（包括8000小時(shí)的工作時(shí)間和150000英里的道路振動(dòng)）將保持可靠。小尺寸對于減少可能受到振動(dòng)影響的質(zhì)量至關(guān)重要，但是電動(dòng)汽車(chē)所涉及的高功率要求熔斷器相對較大。溫度是一個(gè)復雜的環(huán)境因素；熔斷器必須具有低溫降額功能，以免在高溫下過(guò)早斷開(kāi)。

浪涌和ESD保護

電池管理系統與充電系統持續通信，以防止電池充電過(guò)度。它控制充電速度，當電池接近容量時(shí)將減慢充電速度，以避免過(guò)熱。隨著(zhù)越來(lái)越多的車(chē)輛配備了能夠快速充電的大容量電池，電池管理系統會(huì )根據電池組的容量控制充電速度。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)充電向更高電壓和電流方向發(fā)展，電池、電池管理系統和充電器之間的通信變得越來(lái)越重要，必須加以保護。

TVS二極管和二極管陣列用于保護通信線(xiàn)路（通常為CAN總線(xiàn)）免受ESD和附近雷擊引起的瞬態(tài)電壓的影響。 這些器件的選擇及其在電路中的位置取決于電池管理系統體系結構。

電池管理系統架構

在電動(dòng)汽車(chē)中，電池單元串聯(lián)連接，組成一個(gè)模塊。 當模塊串聯(lián)時(shí)，系統的總電壓增加。 接著(zhù)，模塊并聯(lián)連接以增加能量容量。 當設計人員向電池管理系統添加模塊時(shí)，成本和復雜性都會(huì )增加。

每個(gè)電池模塊都有電池監測系統。這些子系統監測電壓是否平衡。然后，微控制器監視這些模塊中的每個(gè)模塊，以提供最高的能源效率和最長(cháng)的電池壽命。

電池管理系統的特定體系結構決定了保護規范，如中斷額定值和電壓范圍。

在分布式架構中，感測平衡集成電路通過(guò)長(cháng)導線(xiàn)在電池與從屬板之間連接。高壓熔斷器用于減少事故中模塊內和電池之間在高電壓條件下發(fā)生短路的風(fēng)險。 如果在這種分布式架構中損壞了一個(gè)元件，則可以單獨對其進(jìn)行更換，從而使其成為更便宜，更簡(jiǎn)單的選擇。

在集中式架構中，所有元件都被集成到單個(gè)模塊中。但是，如果某個(gè)組件出現故障，則必須以更高的成本更換整個(gè)模塊。

在這種架構下，電池與從屬板之間的距離更小，從而在高電壓條件下發(fā)生事故的可能性較小。 但是，低成本的中低壓熔斷器應用于防止電池管理板上的元件故障和污染。兩種類(lèi)型的故障必須被考慮：短路和過(guò)載情況。

由于每個(gè)電池上都有監測線(xiàn)，因此任何電池中都有可能發(fā)生短路。 電池監控器模塊或直連線(xiàn)也必須裝有熔斷器，以避免過(guò)電流損壞。

應用電路保護

圖2顯示了存在損壞風(fēng)險的系統元件以及最適合其電路保護的器件類(lèi)型。

• 用于監控電池的集成電路-TVS二極管防止過(guò)電壓

• 電池之間的通信線(xiàn)路-TVS二極管陣列防止ESD

• 電池集成電路 –電壓瞬變情況下的高壓TVS二極管

• 微控制器– TVS二極管陣列

• 主開(kāi)關(guān)–與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)的高壓大電流熔斷器，用作最終保護屏障

• 逆變器和DC/DC轉換器-高壓TVS二極管

圖2. 電池管理系統框圖

 電路保護位置包括保險絲（1），TVS二極管（3、5），TVS二極管陣列（4、6）和高壓熔斷器（7）

許多供應商都提供汽車(chē)級電路保護元件（圖3a和3b）。 由于汽車(chē)電路保護的關(guān)鍵任務(wù)性質(zhì)，設計工程師將從與了解整個(gè)BMS生態(tài)系統并提供各種技術(shù)解決方案的供應商的合作中受益。

圖3a和圖3b：電池管理系統保護需要AEC-Q汽車(chē)認證元件

（示例包括441A陶瓷熔斷器和Littelfuse的TPSMB TVS二極管）

TVS二極管可防止次級感應瞬態(tài)電壓與許多電路保護幾乎是事后才想到的應用不同，車(chē)輛電氣化是設計工程師認識到其關(guān)鍵作用的一個(gè)領(lǐng)域。測試正在從最后階段過(guò)渡到過(guò)程的早期階段。許多供應商提供定制的模擬測試，可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中驗證設計。標準測試不存在于這個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)中，因此設計師和元件供應商必須作為一個(gè)團隊一起工作，共同開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)知識。此外，為了在汽車(chē)安全標準中達到最佳保護選擇，汽車(chē)工程師應接受現行安全標準及其要求的教育。通常，他們的供應商處于教育他們的最佳位置。

隨著(zhù)消費者和政府都推動(dòng)汽車(chē)制造商邁向更綠色的未來(lái)，他們必須找到包括電路保護在內的一系列工程挑戰的解決方案。 他們與知識淵博的供應商合作，正在創(chuàng )造新一代安全可靠的電動(dòng)汽車(chē)。