應用角：汽車 - 電動汽車電池斷開系統

在電動和混合動力汽車中，需要一種方法將高壓電池與車輛的其他部分斷開連接。專門設計的大電流繼電器(接觸器)歷來一直是執行此功能的首選方案。此繼電器的設計必須支持在負載下斷開連接，而不受損壞。這是通過使用帶有真空封裝觸點的繼電器來實現的。這些接觸器通常充滿惰性氣體，包圍觸點以消除空氣。通常，在高壓電池系統中，需要三個接觸器：一個用于兩個主要電池導體，另一個更小的版本用于預充電功能。傳統的電池斷開電路圖如圖1所示。

圖1

電動汽車制造商長期以來一直希望有一種更小、更輕、更便宜的方案，以解決電池斷開問題。功率半導體方案經常被用作替代接觸器，并將生成一種緊湊的固態方案。對半導體電源開關設計提出的挑戰也相當大。簡單的直接交換每個繼電器與適當的電源開關將不可行。由于電動汽車電池系統中的電流可以雙向流動，所以電源開關必須能夠雙向傳導和阻擋電流。當車輛處于靜止狀態(停放車輛)時，電池斷態漏電流必須極低，以防止放電和潛在危險情況。此外，通過主要接觸器的電流電平等于通過高壓電池本身的電流電平。在車輛運行期間，需要較大加速度，電流電平將非常高，并將持續一段時間，這將給電源開關熱管理系統帶來重大挑戰。典型的汽車電流電平與工作模式的關系如圖2所示。

圖2

一個建議的電池斷開系統方案如圖3所示。它通過使用多個緊接的IGBT器件并聯，解決了雙向導電問題。這些器件必須具有合適的額定電流，并且必須有一個足夠的散熱系統來處理巨大的功率損耗。通過在負極導體中保持單個接觸器來解決斷態漏電流問題。這是完整的方案所需要的，以滿足停放車輛電池漏電流規格。未來使用寬禁帶(WBG)功率器件的應用可能是實施全固態方案的技術。

圖3

在新實現的48V輕型混合動力汽車中，也在發生類似的演進。它們主要由鋰離子電池供電，有相同的要求，如高壓電動汽車，雖然電流和電壓電平差別很大。這里建議用MOSFET模塊來解決這一問題。此外，以全固態方案取代預充電硬件，需要一些額外的控制電路，可對輸出電容母線充電，使用開關模式技術。這些BDU系統的開發對電動汽車行業來說是全新的，要想成功，需要大量的專門設計和創新。