為電動汽車的未來提供動力

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汽車的未來至關重要

圖1. 碳化硅肖特基二極管和MOSFET，就像這些來自Littlefuse的圖片，與硅器件相比，功率開關損耗更低。

電動汽車有望實現高速增長，從2019年的600萬輛增至2023年的1600萬輛。新技術正在推動這一巨大變化，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

功率損耗會降低車輛的行駛里程。 而且，在車輛充電期間，損耗以熱量和充電時間的形式引起工程挑戰。 這就是為什么業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，碳化硅器件現在價格合理，而且具有汽車級的可靠性（圖1）。

碳化硅器件的另一個優點是它們利用了較小的無源元件（如電感器），并且對散熱片的需求更少。 尤其是在混合動力汽車中，空間非常寶貴，即使是很小的重量也會影響到汽車的性能。

功率密度

隨著鋰離子電池功率密度的提高，車輛每次充電可實現更長的行駛里程，從而使電動汽車對消費者更具吸引力。 同時，正在出現的大功率汽車充電站，可大大縮短充電時間，這也將增加電動汽車的普及率。

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

鋰離子電池為車輛設計人員提供了較長的充電周期壽命和功率密度，但是它們可能有些挑剔。 過度充電和高放電會降低鋰離子電池的壽命和效率。極端的電流流動可能會導致短路和樹枝狀鋰電鍍，最終破壞電池。 欠電壓會損壞電極。 極端的電池溫度可能會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。

電路保護

隨著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行適當的電路保護的重要性也在不斷提高，這是這場綠色革命的核心。 如果不能充分保護其免受各種電氣威脅的侵害，那么電池故障將關閉用戶電源，并且在最壞的情況下，將導致火災和電擊危險。

汽車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不同，電動汽車還處于起步階段。每一個汽車制造商都試圖通過一種新的方法來尋找最好的方法：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。這導致了關于如何最好地保護電路的困惑。

過電流保護

電池管理系統和電池面臨各種電氣威脅。考慮到它是一個運行在數百安培下的高能系統，最明顯的威脅是過電流。一旦發生事故，被刺穿或弄皺的電池會與汽車的金屬底盤接觸，從而引起火災或電擊危險。

因此，直流熔斷器部署在多個關鍵位置。 它們會迅速中斷高值過電流和短路。 電動汽車應用中使用的保險絲必須符合汽車標準。 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，汽車熔斷器必須承受極強的沖擊和振動。汽車保險絲在15年的使用周期內（包括8000小時的工作時間和150000英里的道路振動）將保持可靠。小尺寸對于減少可能受到振動影響的質量至關重要，但是電動汽車所涉及的高功率要求熔斷器相對較大。溫度是一個復雜的環境因素；熔斷器必須具有低溫降額功能，以免在高溫下過早斷開。

浪涌和ESD保護

電池管理系統與充電系統持續通信，以防止電池充電過度。它控制充電速度，當電池接近容量時將減慢充電速度，以避免過熱。隨著越來越多的車輛配備了能夠快速充電的大容量電池，電池管理系統會根據電池組的容量控制充電速度。

隨著電動汽車充電向更高電壓和電流方向發展，電池、電池管理系統和充電器之間的通信變得越來越重要，必須加以保護。

TVS二極管和二極管陣列用于保護通信線路（通常為CAN總線）免受ESD和附近雷擊引起的瞬態電壓的影響。 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

在電動汽車中，電池單元串聯連接，組成一個模塊。 當模塊串聯時，系統的總電壓增加。 接著，模塊并聯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，成本和復雜性都會增加。

每個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模塊，以提供最高的能源效率和最長的電池壽命。

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長導線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生短路的風險。 如果在這種分布式架構中損壞了一個元件，則可以單獨對其進行更換，從而使其成為更便宜，更簡單的選擇。

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

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。兩種類型的故障必須被考慮：短路和過載情況。

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

應用電路保護

圖2顯示了存在損壞風險的系統元件以及最適合其電路保護的器件類型。

• 用于監控電池的集成電路-TVS二極管防止過電壓

• 電池之間的通信線路-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

• 主開關–與主開關串聯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級電路保護元件（圖3a和3b）。 由于汽車電路保護的關鍵任務性質，設計工程師將從與了解整個BMS生態系統并提供各種技術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電壓與許多電路保護幾乎是事后才想到的應用不同，車輛電氣化是設計工程師認識到其關鍵作用的一個領域。測試正在從最后階段過渡到過程的早期階段。許多供應商提供定制的模擬測試，可以在開發過程中驗證設計。標準測試不存在于這個快速發展的市場中，因此設計師和元件供應商必須作為一個團隊一起工作，共同開發專業知識。此外，為了在汽車安全標準中達到最佳保護選擇，汽車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。

隨著消費者和政府都推動汽車制造商邁向更綠色的未來，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，正在創造新一代安全可靠的電動汽車。