新能源汽车电力传动的电路保护应用详解

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。

电路保护器件的电压范围取决于电池配置，对于中断额定值也是一样。此外，传感线路保险丝应具有较低的温度降额、低耐寒性、长期稳定性，能够应对温度周期和振动，并且具有较小 体积。

2.电池监测 IC 传感线路输入过电压保护：保护电池监测的低压（5V）输入端子免受瞬变的影响。在电池组的装配和维护过程中会发生热插拔瞬变；而充电器、逆变器和电机驱动器等车辆系统，通过传导或通过邻近电缆的感应耦合，会诱发其他瞬变。

3.菊链 I/F（如热插拔、ESD）的过电压/ESD 保护。电路保护器件应具有较低的电容（保持信号完整性，最大程度降低数据丢失）、低钳位电压、小形式因数，以及 10 到 数百 W 的功率容量。

4.电池串两端的高压 TVS 可提供瞬变保护（如热插拔）



图 3：传感线路和电池监测保护

5.Overvoltage CAN 总线 I/F 的过电压/ESD 保护：CAN 总线是用于将电池监测控制器与更高级的 BMS 控制器（然后与汽车中的其他控制器通信）连接起来的典型的接口。在汽车电池系统的密集环境中，CAN 线路会遭受由 ESD（例如在装配和维护的过程中）导致的过电压应力或其他汽车系统通过偶合或传导而引起的瞬变。

6.用于电力线保护的高压/大电流保险丝：高压/大电流主保险丝是汽车大功率系统中电流过大或短路事件情况下确保安全性的最后一道防线。合适的保险丝需要与系统下游的其他保险丝（例如接线盒）进行良好的协调。保险丝需要能够承受几千安培的电流，并且能够长时间持续传导大量的电能。



图 4：微控制器和电力线保护

车载充电器

图 5 是电动和插电式混合动力汽车中使用的典型车载电池充电器的框图。



图 5：电池充电器电路的拓扑结构

该电路由输入端的桥式整流器以及其后的功率因数校正（PFC）电路和全桥 DC/DC 转换器组成。

主要保护需要为：



图 6：桥式整流器、功率因数校正（PFC）和全桥 DC/DC 转换和保护器件

1.交流输入保险丝：需要能够在高达 250V 单相交流电压下高电流（例如 32A）的汽车级过电流保护保险丝。高分断能力以及承受振动、浪涌瞬变和热循环的能力是关键。

2.交流输入瞬变保护：由于直接连接到电网，需要使用 MOV 提供瞬变（8/20µs）保护； 所用的 MOV 需要能够在高温（125°C）下运行，并且提供交流线路的工作电压。符合 AEC-Q200 标准要求是必要条件。

3.直流侧电容器保护：即使直流侧电容器的目的是过滤某些瞬变，但是在某些情况下仍然需要保护；快速汽车级 TVS 二极管可以保护这些昂贵的部件。

a.栅极过电压保护：以前使用的是齐纳二极管，但是这些器件不具有TVS 二极管的快速响应、更高的浪涌能力和可靠性等优点。

b.有源钳位保护：集电极到栅极的直接反馈。当集电极-发射极电压超过钳位元件的击穿电压时，电流流向栅极。因此，栅极电位升高，降低集电极电流斜率，从而达到稳定的状态。钳位元件的设计决定了 IGBT 两端的电压。



4.高压直流侧过电流保护：有助于消除由于 OCB 或电池组中的故障或交通事故等外部事件造成的短路危险。

5.高压直流侧过电压保护：可以清除由开关（热插拔）或其他汽车其他引起的过电压瞬变。

6.CAN 总线-ESD 和瞬变保护。OBC 通过 CAN 总线与BMS 等其他系统进行通信。在密集封装的环境下，CAN 线路经常会受到 ESD（例如在装配和维护过程中）的过电压应力和由其他汽车系统通过感应耦合或传导耦合引起的瞬变的影响。

ISO 10605 和静电放电（ESD）保护

该国际标准是针对道路车辆的，它规定了评估电子模块的各种 ESD 测试方法。这些模块包括信息娱乐和互连解决方案、GPS 接收器到电池和充电系统的控制模块等等。以上每一个例子中的共同点是都需要连接，因为它们将与系统处理器通信并受其控制。

通常情况下，控制总线是 CAN 或 LIN 总线，而市场已经开始探索速度更快的总线，包括以太网和对汽车更为专用的 BroadR Reach。在可靠性方面，这些数据总线虽然提供了通信路径，同时也成为 ESD 等电气瞬变的侵入途径。

在消费电子和工业市场中，最常引用的 ESD 标准是 IEC 61000-4-2。它为行业提供了应该使用的ESD瞬变波形的指导准则，以及测试方法。关键是要在已完成的产品和系统（成品）上进行测试。这意味着智能手机、平板电脑或笔记本电脑应是完全组装好的，并且可以在所有电源输入和数据端口插上相应的电缆。然后在系统的机箱、连接器和电缆上完成 ESD 测试。在汽车市场中，这类似于使用 ESD “枪”将完全组装的车辆的各个表面周围全部扫一遍。

但是，情况不止于此。为了确保最高的可靠性，ISO 10605 规定，每个系统必须在车辆中安装之前以单独和完整的形式进行测试。简而言之，确保整个车辆的 ESD 保护可靠性的最佳方法是首先确保每个构件（电气/电子子系统）能够承受反复的 ESD 瞬变。这样做是为了确保模块能够应对由装配过程、维修技术人员或车辆乘员引起的电气干扰。

在完全组装的车辆中，在驾驶员、乘员、组装人员和维修技术人员将与车辆接触到的部位也要进行测试。通过增加这些模块级测试要求，ISO 10605 将 IEC 61000-4-2 标准提升到一个新的水平。

此外，它要求制造商以比 IEC 标准更高的电压和电流水平来测试电子模块，以反映汽车的更严苛和恶劣的电气环境。这意味着车辆中每一层电子设备都需要最坚固的电路保护，以抵御汽车常见的恶劣的 ESD 瞬变。

AEC-Q101 – 元件级质量标准

对可靠性和质量的需求在车辆和模块级上不会止步。这种需求也延伸至元件级。为了符合应用的要求，AEC-Q101 规定了在这些应用中使用的分立半导体解决方案的质量要求。专门针对电路 ESD 保护的分立和阵列解决方案也必须符合 AEC-Q101 标准的要求。

该标准描述了一系列确保汽车环境中基于半导体的元件的长期可靠性的合格性测试。对于采用 TVS 二极管或 TVS 二极管阵列等 ESD 保护器件的汽车制造商，这些器件需符合 AEC-Q101 标准的要求。

ISO 10605 标准关注的是电气危害，而 AEC-Q101 是一份环境标准。对于被认为符合 AEC-Q101 标准的元件，它们必须能够承受以热冲击和温度循环、高湿度和极端温度为特征的恶劣的汽车环境。因此，该标准确保了在汽车中安装之后，元件不会因为任何本质缺陷而发生故障。

AEC-Q200 – 元件级质量标准

正如半导体器件需要满足汽车应用中最低的质量要求，无源器件也需要达到类似的质量标准要求。在这种情况下，ESD 解决方案有多层压敏电阻和基于聚合物的 ESD 器件。这些技术的应用包括针对低速电路（如CAN 和 LIN）的 MLV，和针对高速电路（如以太网和 BroadR Reach）的高分子聚合物 ESD 器件。

传动系电路需要保护

汽车中的每个电路都容易受到浪涌和瞬变的损害。无论元件或电路的所在位置在哪，都会受到恶劣条件和温度的影响。

以下列出了一些需要保护的最常见的汽车电路：

传统通信总线 - 控制局域网（CAN）和本地互连网（LIN）：它们是最流行的的通信总线标准，覆盖汽车中 50% 至 75% 的电路。它们已有多年的应用历史，因其可靠性而广受欢迎。

CAN 总线允许微控制器和器件在车内进行通信，无需使用主机。它是专为汽车应用设计的基于消息的协议。CAN 系统能够处理从动力转向到发动机微控制器和变速器之间等一切通信。

LIN 总线是一种经济有效的串行网络协议，用于车内组件之间的通信。它通常用于处理简单的电机功能，如电动座椅和切换巡航控制等。

由于在汽车中几乎无处不在，这些总线在模块安装期间以及车辆的运行和维护期间都将会受到 ESD 的影响。它们很容易暴露于可能导致 CAN 或 LIN 收发器故障的瞬变。

下图所示的是 CAN 和 LIN 总线的典型 ESD 保护方案。由于 CAN 总线是双通道电路，最常见的解决方案是采用一个双通道二极管阵列。LIN 总线为单通道，因此它的 ESD 解决方案采用的是分立 ESD 二极管或多层压敏电阻。



高速数字总线 - 以太网，BroadR Reach 端口：以太网历来被用于在路由器、交换机和访问硬件之间提供连接的远程通信系统。它是一种久经验证的非常可靠的解决方案。近年来，一直有提高 CAN 和 LIN 等现有总线的速度的需求。以太网最初是用于 1Mbps 版本；这显著提升了 CAN 总线的性能，目前大约达到了 100Mbps。同样，汽车专用的 BroadR Reach 旨在提供 100Mbps 的处理能力，且可能会因其更为简单的双线配置而被选择使用。而以太网需要使用四线。

更多的控制器模块的增加以及对简化车辆中的通信网络（也可以减少电缆的数量，从而降低总重量）的希望推动了对更大带宽的需求。无论选择哪种通信方案，双通道和四通道低电容 ESD 阵列都可以用来提供所需的保护。

作为电气瞬变来源的交流发电机

现代汽车设计需要大量的电能。许多电子应用（信息娱乐、导航、ADAS、电源控制等）都与电池连接，并最终连接至交流发电机。

交流发电机需要将角动量转换为电能，但它也是电气瞬变的来源 - 其中最不利的是负载突降。当交流发电机正在发电且其他电气和电子负载保持连接至电池电路的同时，正在充电的电池被断开时，就会发生这种情况。

如果不加以处理，电尖峰脉冲和瞬变将在整个电源电路中传播，从而导致有源电子元件和传感器中的电应力过大。这种过应力会导致汽车电子系统中的元器件部分或永久性损坏。因此，诸如负载突降等瞬变会威胁到车辆的安全性和可靠性。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2：电源电路上的电压瞬变:

在历史上，ISO 7673 被用作在汽车的电源电路上发现的电压瞬变的参考文献。它们的定义非常明确：是由电动负载的各种切换（电机和电感负载）和意外断开所造成的。

这三种脉冲有相似性：
脉冲 1：表示电感负载（例如电机）与电源意外断开连接，存储的电荷被转储到电源电路的情况。

脉冲 2a 和 2b：表示“受害”电路并联的负载电流突然断开，以及直流电机在点火关闭后所产生的电压瞬变。

脉冲 3a 和 3b：表示由开关元器件产生的电压瞬变或“脉冲群” - 类似于工业应用中的电快速瞬变。

脉冲 5a：是两个标准之间存在差异的地方。这种脉冲代表的是车辆中（例如混合动力电动汽车 ）有 交流发电机且在电池充电时电池引线断开的情况。这会导致大量的能量被释放（倾注）到电源电路中。脉冲的持续时间在 40ms 到 400ms 之间，电压和交流发电机电阻值由最终用户确定。

两个标准之间最重要的区别在于电气系统将承受的这些负载突降脉冲的次数。对于 ISO 7673-2，只需要对系统脉冲一次。对于 ISO 16750-2，要求更为严格，需要 10 次脉冲（每次脉冲间隔 1 分钟）。这会影响到保护方案，因为转而采用 ISO 16750-2 将会增加保护元件上电应力的次数。

适当的切换事件和负载突降保护的注意事项

电路保护器件，包括瞬态电压抑制（TVS）二极管和压敏电阻，是保护敏感电子设备免受上面描述的电压和电流瞬变的影响的最有效方法。选择 TVS 二极管是因为它们是具有快速响应时间（低钳位电压）和低泄漏电流的硅雪崩器件，还因为它们没有损耗因数。

压敏电阻通常被用作瞬变浪涌保护的一线解决方案。具体的例子包括保护车内电子设备的超小型表面贴装多层压敏电阻（MLV）以及保护更接近于交流发电机本身的电源电路的金属氧化物压敏电阻（MOV）。

二极管应符合 AEC-Q101 标准要求；压敏电阻应符合 AEC-Q200 标准要求。

正如上文所讨论的 ESD 保护解决方案，汽车电子协会（AEC）元器件技术委员会制定了严格的指导准则，制造商在设计、生产和测试在汽车中使用的元器件时必须遵守。

在汽车工业中使用的保护器件必须承受瞬变、机械和热环境，还要钳位至够低的电压以保护集成电路。在为汽车应用选择合适的 TVS 二极管时，设计工程师应该寻找能够提供适合汽车应用的峰值脉冲功率耗散额定值的产品。

典型的额定值范围为：从 200W 到 3000W（10/1000μs）（仅经历最小的瞬态能量（脉冲 1、2 和 3）的电路）， 2200W（必须经受未钳位负载突降（脉冲 5a）和其他瞬态电压事件的电路）。

针对交流发电机瞬变的保护，替代的电路保护解决方案会用到 MOV。为了保护敏感的电子设备免受因负载突降事件引起的电压瞬变的影响，所选择的 MOV 需要提供高达 5KA（8/20μs 脉冲）的高峰值浪涌电流额定值，以及可靠性的能量吸收能力。工程师应只选择和信赖符合行业标准 AEC-Q200（表 10）、ISO 7637-2 以及 ISO 16750-2 要求的 MOV 器件。