電力傳動系的電路保護

　摘要
　　雖然混合動力和電動車比傳統(tǒng)內燃汽車更節(jié)能，但由于電子系統(tǒng)的顯著增加需要新的電路保護概念。高可靠性（如電池管理或傳輸逆變器的惡劣的環(huán)境）需要采用特定的技術。
　　技術論文
　　伴隨著每一代新汽車的問世，電子系統(tǒng)的數(shù)量也在不斷增加。不僅是因為對高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）或互聯(lián)信息娛樂系統(tǒng)的需求不斷增長，如今即使是入門級汽車也整合了高端汽車中的先進電子系統(tǒng)，包括安全、遠程信息處理和互聯(lián)。對于這些電子系統(tǒng)，在設計階段的早期就將保護考慮進來是非常重要的。不幸的是，在系統(tǒng)的設計階段，電路保護往往被低估，甚至被忽略了。電路保護為何如此重要呢？不僅是因為它有助于電子設備保持其設計功能，還可以增強可靠性；在許多情況下，乘員安全是保護生命的最重要的方面。電氣危害的主要來源是來自人體的 ESD（如在連接智能手機時觸摸 USB端口），以及在汽車制造或進入維保時來自組裝或維修人員的 ESD。來源于電路中的負載切換瞬變，以及雷電引起的（通過磁場進入車輛電子設備的）浪涌等。過載和短路電流與汽車內的電源有關，需要使用保險絲或自復式保護器件（如 PPTC）加以保護。
　　立法，正將環(huán)境保護的需要轉化為提高燃油效率的更強制性的法規(guī)。歐盟將在 2021 年將二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地區(qū)，針對二氧化碳排放量也有非常相似的規(guī)定。所有汽車制造商遵行這些法規(guī)的唯一途徑是在其產品組合中推出混合動力和電動車型。如此會導致越來越多的電子設備被采用，特別是高壓/大電流應用（逆變器、DC-DC 轉換器、充電器等等）。因此，針對這些要求的特定的電路保護解決方案的需求在不斷增加。
　　然而，設計師在尋找合適的技術或產品、滿足這種新汽車系統(tǒng)的應用要求上卻往往面臨著挑戰(zhàn)。
　　本文將重點強調電路保護的特殊要求，并介紹在這一領域當前和未來的技術對混合動力汽車中主要的大功率應用。
　　電池管理系統(tǒng)
　　純電動和混合動力車需要便攜式儲能來為電動動力組件提供電力。最根本的問題是，電能無法被儲存，只能以化學形式（如電池和燃料電池）或機械形式存在，需要通過使用電能轉換器來轉換成電的形式。關鍵在于以最小的封裝和環(huán)境污染并盡可能有效地進行轉換（即具有高功率密度和能量密度的轉換）。尋找能量儲存和轉換裝置的過程是艱巨的，從汽車動力到車輪的整個能量轉換過程都必須是最高效的。
　　EV/HEV 的電池的理想特性有：
　　? 高功率/能量密度，以減少空間和重量。
　　? 高電流以降低充電時間。
　　? 長壽命和循環(huán)壽命。
　　? 良好的電池平衡和電池組管理，以提高效率和續(xù)航。
　　? 合理的成本。
　　電池是由單個的電池單元組成的，它們將化學能轉化為電能。多個這樣的電化學電池單元串聯(lián)起來，形成一個電池模塊，以提供一定的電壓。每個單位電池單元的電壓取決于電池的化學性質；串聯(lián)模塊的電池單元數(shù)量取決于所需的總電壓。
　　EV/HEV 中使用的電池是一個電池組，由多個電池模塊的串聯(lián)和并聯(lián)組合。串聯(lián)和并聯(lián)組合是基于所需的直流側電壓和電池的能量容量配置的。串聯(lián)連接產生所需的電壓，并聯(lián)連接為電池組的最小運行時間提供所需的容量。此外，電池組配備了充電平衡和均衡、以及電池組管理電路。電池組管理電路確保了可靠性和對過充電、過放電、短路和熱過載的保護。電池組管理電路能夠對電池的狀況和故障進行報告。
　　
　　圖 1：鋰離子電池系統(tǒng)。電池單元及電池組
　　此外，還需要對電池管理系統(tǒng)本身加以保護，使這一重要的系統(tǒng)在所有條件下（組裝、維護和正常運行）都安全可靠。
　　圖 2 所示的是包含主要模塊的高壓電池系統(tǒng)。
　　
　　圖 2：高壓電池系統(tǒng)：構建模塊及其保護
　　主要保護需求為：
　　1.傳感線路保險絲可以保護防止傳感線路短路：根據(jù)電池系統(tǒng)，會安裝多達 200 條傳感線路來測量每個電池單元的電壓，以確定它們的充電狀態(tài)和狀況。從理論上講，根據(jù)故障模式，在隨機傳感線路之間會發(fā)生短路。潛在的故障：交通事故或裝配問題，導致冷卻劑或其他液體的泄漏，從而產生導電沉積。