動力電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)保護方案

電動汽車的安全性，尤其是動力電池的安全性，一直以來都是消費者關注的重點。作為電動車動力電池系統(tǒng)的“大腦”，動力電池管理系統(tǒng)(BMS)的設計和性能直接影響電動汽車的使用和安全，產(chǎn)品應通過EMC測試，對于使用中可能存在的過載、短路、浪涌、靜電等具有完善的保護功能。BMS開發(fā)和生產(chǎn)應符合ISO26262標準，其設計方法、安全技術、測試方法以及需要達到的技術指標的要求非常嚴格。

常規(guī)BMS系統(tǒng)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。在硬件設計過程中，為達成產(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(tǒng)框圖

（1）控制單元電源輸入保護

在電動汽車的使用過程中，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。

ISO 7637中規(guī)定的5種脈沖用以模擬現(xiàn)實使用環(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，測試時較難通過。設計上可以通過選用PPTC和TVS實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)電源中的典型應用

PPTC在汽車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(tǒng)通過拋負載等脈沖干擾測試，還可以抑制系統(tǒng)過流和保護短路的情形。在實際設計選型過程中，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。對于一些過流故障情況下的動作要求及高溫下的保持電流折減也要有充分的考慮。最后在實際測試中優(yōu)化選型參數(shù)，達到最優(yōu)的保護效果。TE Connectivity的Auto系列PPTC，適用于汽車相關產(chǎn)品的應用，您可以通過查詢官網(wǎng)或與我們直接聯(lián)系來獲得選型上的幫助。

（2）均衡線束和采樣線束保護

動力電池需要經(jīng)由單體電芯串并聯(lián)組成，理想的情況下，電池包內(nèi)使用的單體電芯應該在同一時間采用相同的生產(chǎn)工藝制造出來，所有電芯應具有高度的一致性。然而，鑒于實際生產(chǎn)過程中的波動，即使對同一電池包所采用的電芯進行一致性分組，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，這些差異還會由于各個電芯衰減的不一致而進一步變大，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單體電芯電壓等狀態(tài)變量進行采樣，實時監(jiān)控。同時，在單體電芯間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時，通過能量的轉(zhuǎn)移或消耗的方式，使各串電池得以均衡。采樣線束和均衡線束由于與電動汽車電池直接相連，硬件上的任何短路都會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，設計時對功能安全要求很高。


圖3:Model S在采樣均衡線束中的保護方案

成熟的保護方案，通常是采用PPTC或Fuse來保護采樣及均衡線速的短路情形。如圖3所示某知名電動汽車品牌Model S車型采用Fuse對線束進行保護。采用PPTC或Fuse的線束保護方案，在選型時，PPTC額定電壓或Fuse分斷電壓的選取應考慮模組最遠端的線束短路情形；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，采樣線路的工作電流通常較小，對于均衡線路，考慮功耗的情形，目前主動均衡電流最高一般不超過2A，被動均衡電流通常不超過1A。另外PPTC的電阻壓降對于采樣線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板線束入口處。對于均衡線束，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，同時也易于與線束連接。該保護方案，線束短路情況下，電池會得到更為全面的保護。

（3）溫度監(jiān)測

動力電池成組后，實際使用過程中熱量分布是不均勻的。成熟的熱管理方案應該能夠較好地感測電池包內(nèi)部不同位置的溫度，特別是在個別電池由于故障而產(chǎn)生過高的溫度時能夠及時的通知系統(tǒng)做出相應動作。如圖5所示，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)過熱的情形，避免熱失控的發(fā)生。


圖5:PPTC作為溫度sensor

（4）通信總線保護

BMS中，各單元模塊以及與上級系統(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在實際應用中常常會出現(xiàn)發(fā)送輸出級對電源及地或負載短路及瞬態(tài)電壓干擾等現(xiàn)象，常見的故障包括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。在設計過程中，通常采用PPTC和TVS組成保護電路，保護各種短路和其他過電流的情形，如圖6所示某BMS生產(chǎn)商采用的保護方案。PPTC的選型過程與電源輸入電路PPTC選型類似，考慮CAN bus的通用性，其工作電流通常為幾十mA，通常選用nanoASMD012F即可滿足要求。


圖6:PPTC在CAN bus中的典型應用

（5）其他單元的保護

BMS系統(tǒng)較為復雜，各單元電路中均存在瞬態(tài)脈沖干擾、短路、過載電流等過壓和過流的故障情形，如二極管短路、風扇線圈過載等。在設計時可以參照上述案例的情形。


圖7:RTP保護功率器件

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的過溫保護器件RTP是個不錯的選擇。RTP作為溫度保險絲，可以實現(xiàn)回流焊接組裝。在實際應用中，如圖7所示，一旦器件感測到功率器件等過熱即會切斷電路，避免災難性后果。

綜上，TE多樣化的產(chǎn)品，為BMS系統(tǒng)提供了必須的被動保護，可供參考的應用如表2。您可以登錄TE網(wǎng)站或聯(lián)系我們尋求產(chǎn)品及應用上的技術支持。

表2:TE推薦的參考應用方案