動力電池管理系統保護方案

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的“大腦”，動力電池管理系統(BMS)的設計和性能直接影響電動汽車的使用和安全，產品應通過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種脈沖用以模擬現實使用環(huán)境中可能出現的瞬態(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，不僅可以幫助系統通過拋負載等脈沖干擾測試，還可以抑制系統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，達到最優(yōu)的保護效果。TE Connectivity的Auto系列PPTC，適用于汽車相關產品的應用，您可以通過查詢官網或與我們直接聯系來獲得選型上的幫助。

(2)均衡線束和采樣線束保護

動力電池需要經由單體電芯串并聯組成，理想的情況下，電池包內使用的單體電芯應該在同一時間采用相同的生產工藝制造出來，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，在單體電芯間出現不均衡現象時，通過能量的轉移或消耗的方式，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。