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电力传动系的电路保护
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2017-11-08
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摘要
虽然混合动力和电动车比传统内燃汽车更节能，但由于电子系统的显著增加需要新的电路保护概念。高可靠性（如电池管理或传输逆变器的恶劣的环境）需要采用特定的技术。
技术论文
伴随着每一代新汽车的问世，电子系统的数量也在不断增加。不仅是因为对高级辅助驾驶系统（ADAS）或互联信息娱乐系统的需求不断增长，如今即使是入门级汽车也整合了高端汽车中的先进电子系统，包括安全、远程信息处理和互联。对于这些电子系统，在设计阶段的早期就将保护考虑进来是非常重要的。不幸的是，在系统的设计阶段，电路保护往往被低估，甚至被忽略了。电路保护为何如此重要呢？不仅是因为它有助于电子设备保持其设计功能，还可以增强可靠性；在许多情况下，乘员安全是保护生命的最重要的方面。电气危害的主要来源是来自人体的 ESD（如在连接智能手机时触摸 USB端口），以及在汽车制造或进入维保时来自组装或维修人员的 ESD。来源于电路中的负载切换瞬变，以及雷电引起的（通过磁场进入车辆电子设备的）浪涌等。过载和短路电流与汽车内的电源有关，需要使用保险丝或自复式保护器件（如 PPTC）加以保护。
立法，正将环境保护的需要转化为提高燃油效率的更强制性的法规。欧盟将在 2021 年将二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地区，针对二氧化碳排放量也有非常相似的规定。所有汽车制造商遵行这些法规的唯一途径是在其产品组合中推出混合动力和电动车型。如此会导致越来越多的电子设备被采用，特别是高压/大电流应用（逆变器、DC-DC 转换器、充电器等等）。因此，针对这些要求的特定的电路保护解决方案的需求在不断增加。
然而，设计师在寻找合适的技术或产品、满足这种新汽车系统的应用要求上却往往面临着挑战。
本文将重点强调电路保护的特殊要求，并介绍在这一领域当前和未来的技术对混合动力汽车中主要的大功率应用。
电池管理系统
纯电动和混合动力车需要便携式储能来为电动动力组件提供电力。最根本的问题是，电能无法被储存，只能以化学形式（如电池和燃料电池）或机械形式存在，需要通过使用电能转换器来转换成电的形式。关键在于以最小的封装和环境污染并尽可能有效地进行转换（即具有高功率密度和能量密度的转换）。寻找能量储存和转换装置的过程是艰巨的，从汽车动力到车轮的整个能量转换过程都必须是最高效的。
EV/HEV 的电池的理想特性有：
• 高功率/能量密度，以减少空间和重量。
• 高电流以降低充电时间。
• 长寿命和循环寿命。
• 良好的电池平衡和电池组管理，以提高效率和续航。
• 合理的成本。
电池是由单个的电池单元组成的，它们将化学能转化为电能。多个这样的电化学电池单元串联起来，形成一个电池模块，以提供一定的电压。每个单位电池单元的电压取决于电池的化学性质；串联模块的电池单元数量取决于所需的总电压。
EV/HEV 中使用的电池是一个电池组，由多个电池模块的串联和并联组合。串联和并联组合是基于所需的直流侧电压和电池的能量容量配置的。串联连接产生所需的电压，并联连接为电池组的最小运行时间提供所需的容量。此外，电池组配备了充电平衡和均衡、以及电池组管理电路。电池组管理电路确保了可靠性和对过充电、过放电、短路和热过载的保护。电池组管理电路能够对电池的状况和故障进行报告。
图 1：锂离子电池系统。电池单元及电池组
此外，还需要对电池管理系统本身加以保护，使这一重要的系统在所有条件下（组装、维护和正常运行）都安全可靠。
图 2 所示的是包含主要模块的高压电池系统。
图 2：高压电池系统：构建模块及其保护
主要保护需求为：
1.传感线路保险丝可以保护防止传感线路短路：根据电池系统，会安装多达 200 条传感线路来测量每个电池单元的电压，以确定它们的充电状态和状况。从理论上讲，根据故障模式，在随机传感线路之间会发生短路。潜在的故障：交通事故或装配问题，导致冷却剂或其他液体的泄漏，从而产生导电沉积。
虽然混合动力和电动车比传统内燃汽车更节能，但由于电子系统的显著增加需要新的电路保护概念。高可靠性（如电池管理或传输逆变器的恶劣的环境）需要采用特定的技术。
技术论文
伴随着每一代新汽车的问世，电子系统的数量也在不断增加。不仅是因为对高级辅助驾驶系统（ADAS）或互联信息娱乐系统的需求不断增长，如今即使是入门级汽车也整合了高端汽车中的先进电子系统，包括安全、远程信息处理和互联。对于这些电子系统，在设计阶段的早期就将保护考虑进来是非常重要的。不幸的是，在系统的设计阶段，电路保护往往被低估，甚至被忽略了。电路保护为何如此重要呢？不仅是因为它有助于电子设备保持其设计功能，还可以增强可靠性；在许多情况下，乘员安全是保护生命的最重要的方面。电气危害的主要来源是来自人体的 ESD（如在连接智能手机时触摸 USB端口），以及在汽车制造或进入维保时来自组装或维修人员的 ESD。来源于电路中的负载切换瞬变，以及雷电引起的（通过磁场进入车辆电子设备的）浪涌等。过载和短路电流与汽车内的电源有关，需要使用保险丝或自复式保护器件（如 PPTC）加以保护。
立法，正将环境保护的需要转化为提高燃油效率的更强制性的法规。欧盟将在 2021 年将二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地区，针对二氧化碳排放量也有非常相似的规定。所有汽车制造商遵行这些法规的唯一途径是在其产品组合中推出混合动力和电动车型。如此会导致越来越多的电子设备被采用，特别是高压/大电流应用（逆变器、DC-DC 转换器、充电器等等）。因此，针对这些要求的特定的电路保护解决方案的需求在不断增加。
然而，设计师在寻找合适的技术或产品、满足这种新汽车系统的应用要求上却往往面临着挑战。
本文将重点强调电路保护的特殊要求，并介绍在这一领域当前和未来的技术对混合动力汽车中主要的大功率应用。
电池管理系统
纯电动和混合动力车需要便携式储能来为电动动力组件提供电力。最根本的问题是，电能无法被储存，只能以化学形式（如电池和燃料电池）或机械形式存在，需要通过使用电能转换器来转换成电的形式。关键在于以最小的封装和环境污染并尽可能有效地进行转换（即具有高功率密度和能量密度的转换）。寻找能量储存和转换装置的过程是艰巨的，从汽车动力到车轮的整个能量转换过程都必须是最高效的。
EV/HEV 的电池的理想特性有：
• 高功率/能量密度，以减少空间和重量。
• 高电流以降低充电时间。
• 长寿命和循环寿命。
• 良好的电池平衡和电池组管理，以提高效率和续航。
• 合理的成本。
电池是由单个的电池单元组成的，它们将化学能转化为电能。多个这样的电化学电池单元串联起来，形成一个电池模块，以提供一定的电压。每个单位电池单元的电压取决于电池的化学性质；串联模块的电池单元数量取决于所需的总电压。
EV/HEV 中使用的电池是一个电池组，由多个电池模块的串联和并联组合。串联和并联组合是基于所需的直流侧电压和电池的能量容量配置的。串联连接产生所需的电压，并联连接为电池组的最小运行时间提供所需的容量。此外，电池组配备了充电平衡和均衡、以及电池组管理电路。电池组管理电路确保了可靠性和对过充电、过放电、短路和热过载的保护。电池组管理电路能够对电池的状况和故障进行报告。
图 1：锂离子电池系统。电池单元及电池组
此外，还需要对电池管理系统本身加以保护，使这一重要的系统在所有条件下（组装、维护和正常运行）都安全可靠。
图 2 所示的是包含主要模块的高压电池系统。
图 2：高压电池系统：构建模块及其保护
主要保护需求为：
1.传感线路保险丝可以保护防止传感线路短路：根据电池系统，会安装多达 200 条传感线路来测量每个电池单元的电压，以确定它们的充电状态和状况。从理论上讲，根据故障模式，在随机传感线路之间会发生短路。潜在的故障：交通事故或装配问题，导致冷却剂或其他液体的泄漏，从而产生导电沉积。
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