Littelfuse針對(duì)中國電動(dòng)汽車高壓電池系統(tǒng)的保護(hù)方案

據(jù)稱比亞迪、江淮、北汽等國內(nèi)主流電動(dòng)汽車車廠們比國外的電池組電壓都高一倍，還在往1000V及以上的電池組發(fā)展。這么高的電壓，安全嗎？

    電池一直是電動(dòng)車中最受關(guān)注的部件。但是在電池組的選擇上，中國車廠和外國車廠選擇了一條明顯不同的道路。
舉例來說，電動(dòng)汽車賣的最好的車型日產(chǎn)聆風(fēng)(leaf)，其電池組電壓為360V；三菱的i-MiEV是300V；7000顆18650鋰電組成的特斯拉電池組電壓也只有400V。但相比國外廠商，國內(nèi)電動(dòng)車的電池組電壓要高很多，例如比亞迪秦的電池是560V，而唐的電池組電壓是700V。

    據(jù)稱比亞迪、江淮、北汽等國內(nèi)主流電動(dòng)汽車車廠們還在往1000V及以上的電池組發(fā)展。“電池組電壓高有兩個(gè)好處，一是能量/功耗損失小，二是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率更高。我認(rèn)為這是個(gè)好的趨勢，也應(yīng)該是今后的一個(gè)發(fā)展方向。”Littelfuse公司中國及香港地區(qū)銷售總監(jiān)查勇表示。

為此，EDN的記者也特地咨詢了一位車廠的專家，他指出，車廠將電池組電壓升高還有個(gè)好處是，在輸出功率相同的情況下，增加電池組電壓就可以降低工作電流，這對(duì)外圍器件性能需求/成本影響比較大，而且器件可以工作在輕負(fù)荷的狀態(tài)，可靠性也會(huì)提高。

    對(duì)設(shè)計(jì)師來說，電池組的電壓高低直接影響電池的數(shù)量。同時(shí)，針對(duì)更高電壓的電池組，用于主回路主電流的保險(xiǎn)絲和保護(hù)器件都需要專用的高壓器件，對(duì)IGBT等功率器件的需求也和低壓電池組不同。

單個(gè)鋰電池的容量和電壓都是比較小的，要達(dá)到比較大的電壓就要串聯(lián)，大的電流就要并聯(lián)，任何一個(gè)電動(dòng)車的電池組都是串并聯(lián)的結(jié)合體。由于為電動(dòng)汽車提供電力的絕大多數(shù)電池組由若干鋰離子電池組成的，設(shè)計(jì)出有效而且可靠的電池管理系統(tǒng)(BMS)，才能保證電池組的安全運(yùn)行。

    監(jiān)測單個(gè)電池或電池組的電壓是此類電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能，Littelfuse也在積極和BMS主芯片廠商合作，為供電線路和電池監(jiān)測感應(yīng)線路提供保護(hù)方案。

    下圖所示為高壓電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)需求。跟隨客戶需求，Littelfuse也在不斷發(fā)展自己的產(chǎn)品，保護(hù)方案最高已經(jīng)做到了1500V。

（其中，1代表對(duì)傳感器線路進(jìn)行短路保護(hù)的傳感器線路保險(xiǎn)絲；2代表電池監(jiān)測集成電路傳感器線路輸入過電壓保護(hù)；3代表菊鏈I/F的過電壓/ESD保護(hù)；4代表整個(gè)電池串上的高電壓TVS用于瞬變保護(hù)；5代表CAN總線I/F的過電壓/ESD保護(hù)；6代表用于電力線保護(hù)的高電壓/高電流保險(xiǎn)絲。）

任何類型電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)都是高度復(fù)雜和任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng)，需要精心選擇和正確放置的保護(hù)元件進(jìn)行過電壓和短路保護(hù)。上圖為Littelfuse的保護(hù)方案。以cell為單位進(jìn)行主動(dòng)/被動(dòng)均衡傳輸，每條傳感線上都要有過壓過流保護(hù)，另外CAN總線上需要有對(duì)通信接口的ESD。“由一個(gè)主芯片來控制12-16路傳感/均衡線，和CAN總線的接口也要保護(hù)。如果是700V的電池組，就需要180~200路的保護(hù)，十幾個(gè)類似的接口。”查勇指出。

更進(jìn)一步的安全：把保護(hù)做進(jìn)電池里對(duì)溫度敏感是鋰電天生的缺陷，如果過充過載，很容易起火燃燒甚至爆炸。 但是，鐵鋰、三元鋰等不同材料的電池在大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的眼里都是一樣的，一般只需要關(guān)注基本點(diǎn)，保持電池充放電和作安全運(yùn)行即可。

    “針對(duì)不同材料的電池，業(yè)界在板級(jí)保護(hù)方面目前并沒有不同，只是根據(jù)電流電壓作參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)保護(hù)，而從不關(guān)注是用哪種類型的電池。”查勇指出，一般提到BMS保護(hù)就是在電流回路里做過流和過壓保護(hù)，以防止在極端電壓條件下發(fā)生過負(fù)載、過充、或著短路著火等情況。

在板級(jí)的保護(hù)雖然沒有不同，但是Littelfuse針對(duì)不同材料的鋰電池，和主要電芯供應(yīng)商，包括日本、韓國和國內(nèi)的廠商，探討更深層次的、更全面的動(dòng)力電池的保護(hù)，深入涉及到保護(hù)材料，比如PTC正溫度系數(shù)電阻材料，并設(shè)法把這個(gè)材料植入進(jìn)電池的正極，也就是說從電池單體上就做到完整的保護(hù)。
Littelfuse在去年收購了TE的電路保護(hù)部門(RayChem)，該業(yè)務(wù)部在基于聚合物的自恢復(fù)電路保護(hù)領(lǐng)域非常出色。

保險(xiǎn)絲認(rèn)證測試Littelfuse是汽車保險(xiǎn)絲的發(fā)明者，但電動(dòng)車的保險(xiǎn)絲和汽油車還是有區(qū)別的，以貼片型保險(xiǎn)絲替代了傳統(tǒng)上的刀片型插件。

然而在汽車中使用的電子保險(xiǎn)絲現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的官方標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)只是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提供一些性能參數(shù)。Littelfuse根據(jù)AEC-Q200準(zhǔn)則制定了一項(xiàng)測試計(jì)劃，對(duì)保險(xiǎn)絲對(duì)汽車應(yīng)用的適用性和可靠性進(jìn)行測試。(Littelfuse也是AEC-Q的成員之一，而且有兩位專家在AEC-Q委員會(huì)里。) Littelfuse作為汽車領(lǐng)域電路保護(hù)的專家，積極參與制定電動(dòng)汽車保險(xiǎn)管的安規(guī)要求。

   “我們和客戶，行業(yè)協(xié)會(huì)在做溝通交流，主要是針對(duì)可靠性測試方面。簡單講，包括工業(yè)類、通信類、家用類，對(duì)震動(dòng)和溫度循環(huán)等都不會(huì)有非常高的要求，但汽車應(yīng)用因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣，且和人身安全相關(guān)，要求自然不同。”查勇指出。 這項(xiàng)測試計(jì)劃包 18項(xiàng)測試，例如1000小時(shí)高溫高濕測試、1000循環(huán)溫度沖擊測試、特殊機(jī)械沖擊及振動(dòng)測試等，所用的樣本量也有更加嚴(yán)格的要求。“只是一次測試做到了還不夠，如何保證每批貨都通過這個(gè)測試？整個(gè)質(zhì)量控制體系需要廠商能夠持續(xù)性提供高品質(zhì)。可能有些廠商這批貨通過了這個(gè)測試，但是事實(shí)上在整個(gè)質(zhì)量體系保證中對(duì)汽車元器件的生產(chǎn)也有這個(gè)規(guī)范，我們?cè)谏a(chǎn)/管理體系過程中也是采用了汽車元器件質(zhì)量體系規(guī)范，這個(gè)是友商不具備的。”查勇強(qiáng)調(diào)說。