電動車供電模組安全至上　多級電路保護捍衛汽車電池

電動車的動力源自於電池，也是關鍵的高成本車用元件。電動車電池提供大量能源，主要是含有許多的4.2V鋰離子電池，通常在400~500V範圍內運作。一個電池包含大約20個並聯及串聯組合的鋰離子電池模組，每個製造商(OEM)都有各自的專有模組和電池設計，容量從35千瓦時到100千瓦時不等(圖1)。

電流斷路器/暫態過載保護電池安全性

由於400~500V電池可儲存以千瓦時計的能量，因此安全性是主要問題，例如一個電池短路會消耗大量電能並大幅提高電池溫度。適當大小的電流斷路器和暫態過載保護，對於避免汽車電子設備的災難性破壞或損壞以及駕駛者的潛在傷害極為重要。

典型的電動車儲能系統是由電池、大功率電流中斷元件、電池控制電路和將電池狀態傳輸至車輛主處理器的通訊電路組成。而為了提高汽車安全性，最佳做法是為電池的每條感應線安裝保險絲以提供過電流保護。對此，建議使用快速保險絲以便快速應對過電流，且選擇已於表面黏著保險絲，以利於最小化在模組PC板上的占用空間。此外，元件須符合汽車耐用性標準，可在-55～125°C溫度範圍內運作以及符合AEC-Q標準。

為了保護電池組不受系統引起的暫態、靜電放電及其他類型暫態影響，建議使用暫態電壓抑制器(TVS)二極體。表面貼裝型可吸收高達1,500W的暫態峰值脈衝功率或高達200A的浪湧電流。它們也可以安全地承受高達30kV的靜電放電衝擊，以及具有AEC-Q101汽車級認證的規格版本。

另外也建議在設計中加入用於電池平衡和控制電路的過電流和暫態電壓保護。此做法可確保所有鋰離子電池對負載供電的性能大致相同，此外，保險絲和TVS二極體是必要的。

將模組連接在一起的通訊匯流排，應具有靜電放電保護功能。但在裝配過程中，卻可能會產生靜電放電，因此造成「未完全損壞」的元件或徹底的災難性故障。而為減少問題發生，使用對鉗位暫態具有超快回應的雙向靜電放電二極體(圖2)。

除了上述，整個電池元件也配備保險絲，以防止電流過載。由於電池的工作電壓高於400V，因此建議使用額定電壓超過電池輸出電壓，並能夠承載適當電流容量的延時保險絲。此外，保護元件應符合汽車可靠性標準(ISO-8820、AEC-Q等)。

控制和保護電路(C&PC)操作接觸器主開關，並將其狀態回饋給電池系統控制器，因此，C&PC必須快速運作。該電路通常用於打開接觸器的功率MOSFET，且MOSFET必須快速切換。建議使用專門用於控制MOSFET的閘極驅動器晶片，使其閘極驅動器可表現出低於10奈秒(ns)的上升時間，並且對閂鎖條件具有很高的免疫力，即能確保MOSFET的高效運作。

電池系統控制器則將電池的資料提供給主要的車輛微處理器，它需要與其他電路模組類似的電流過載和暫態電壓保護，該電路包含CAN介面。資料線完整性對無損資料傳輸而言極為重要，建議使用ESD二極體保護這些線路，幸好一個元件就可以保護高低線(圖3)。

保護電池模組

本文已探討模組輸出上具有高額定電壓的主保險絲。每個單獨的電池也都應該安裝保險絲，而低壓保險絲可用於此方法。每個模組都有各自的微處理器來監控電池狀態，並將其報告給主控制器。因此，有線介面應使用TVS二極體陣列來保護CAN資料線(圖4)。

電池分配單元將電池電壓提供給各種車輛負載，採用高壓保險絲和高壓/大電流接觸器的拓撲結構，以保護個別負載不受電流過載影響，並將每個負載與其他負載隔離。此做法可保護每個負載不受任何其他負載故障影響。

此外，透過增加接觸器可以對電池組提供基本保護。主接觸器將電池與各種負載和電動傳動系統斷開，預充電接觸器(與電阻器配對)提供將直流鏈路電容器初始充電至電池電壓90%的路徑。接觸器和電阻器組合可保護電容器不受最初為電池組供電時出現的高湧入電流影響(圖5)。

即使保護元件放置得當，電池組仍有可能出現內部短路或受外部短路影響，如何控制損失？該解決方式可以加入最後一道防線，即為混合保護和斷開模組。此解決方案結合電流感測、保險絲和點火系統，確保電池與負載斷開。點火系統可確保最短1毫秒的快速回應，並在主電池匯流排上斷開，以確保電路斷開且任何電弧都被熄滅。一個獨立模組可提供具備快速偵測和回應的高斷電流能力，負載可受到短路電流過載保護，這項新技術將電池損壞降至最低。

簡而言之，電動車電池組架構複雜，需要多級電路保護。在模組層級，模組整體和個別電池都需要過電流和過載保護。監測和控制電子設備應加強暫態電壓保護。CAN資料線應具有靜電放電和電壓暫態保護，以確保電池組和主要車輛微處理器之間的通訊不會中斷。結合這些保護拓撲有助於減少電池組故障的發生。

(本文作者為Littelfuse業務發展資深經理)