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以爆管和接触器驱动器提高HEV/EV电池断开系统安全性
[作者 德州儀器]   2024年04月29日 星期一 浏览人次: [2075]

混合动力电动车(HEV)与电动车(EV)的电池管理系统(BMS)配电可为车辆核心功能提供电力,同时也提供安全中断高电压或高电流事件的机制。配电系统的两个核心元件,高电压继电器和断开保险丝,因支援更高电压、电流、效率和可靠性的需求与日俱增,使得设计挑战更高。图一显示了高压继电器和断开保险丝的概述。



图一 : 蓄电池断开保险丝和 BMS 配电中的高压继电器
图一 : 蓄电池断开保险丝和 BMS 配电中的高压继电器

不可复位的蓄电池断开保险丝在紧急情况下启动,以断开蓄电池与车辆其他部分之间的连接。在正常运作期间,高电压继电器(也称为接触器)连接并断开整个 HEV 或 EV 的电源线路。本文将探讨接触器中新兴的技术,同时断开保险丝驱动器的连接,以帮助使 BMS 更加智慧,安全且更有效率。


实现快速可靠的系统效能

发生碰撞时,需要从下游系统关闭电源,以防止进一步的并发症或损坏。目前采用的两种常见解决方案是熔断保险丝和高温保险丝。


熔断保险丝根据过电流事件的热条件触发,这些保险丝由工厂预先设定。高温保险丝需要电子驱动器发送信号以断开连接,主要由离散电路或传统安全气囊爆管驱动器驱动。随着 HEV和EV系统迈向高功率,高温保险丝可提供更高的可靠性和更快速的部署。但是,在实现快速反应时间的过程中,驱动这些高温保险丝的常见解决方案很快变得复杂。ISO26262 符合国际标准化组织(ISO)要求的需求,使这些设计变得越来越复杂。


为了获得更快的反应时间,DRV3901-Q1高温保险丝驱动器采用直接 2 针脚硬体介面,可略过序列平行介面(SPI)。DRV3901-Q1驱动器可与电压,电流与电阻(UIR)感测器配对,加快部署速度。UIR感测器如 BQ79631- Q1装置,可透过硬体针脚直接与 DRV3901-Q1驱动器通讯,无需MCU。


热熔保险丝最重要的功能之一,是在发生碰撞或其他严重故障时断开蓄电池与系统其他部分的连接。系统设计人员必须确保热熔器功能可用以可靠地启动。DRV3901-Q1内建诊断功能可监控驱动器状态,热保险丝状态和备用电源供应状况。为了监控备用电源的可用性,测量储液罐电容器。当蓄电池的主电源不再可用时,此电容器可作为热熔保险丝系统的备用电源。透过定期检查此电容器的放电电压,可让DRV3901-Q1驱动器和MCU在需要备份电源前侦测此故障,并警示车辆。


保险丝在需要时展开非常重要,但是保险丝不缺火也同样重要。DRV3901-Q1驱动器整合了安全诊断,可防止意外 发生热熔断。这是透过不同的功能来达成,其中包括独立的高侧和低侧驱动器,直接硬体触发的备援针脚,以及序列周边介面上的循环冗馀检查(CRC)保护。


改善整个车辆的配电

HEV或 EV的电源供应线路中最常见的连接,是将高电压电池系统连接至牵引逆变器的主要接触器;此外,也可能存在其他电源轨,例如从充电站连接至电池的 AC/DC充电接触器,以及连接车内灯或加热器等其他电力负载的辅助接触器。


接触器是一种低电压电磁阀,它控制机械继电器开关,能够在高电压下提供高电流。HEV 和 EV 车辆中的接触器不断演进,以处理更高的电源系统。接触器的低压电磁阀元件通常由一个称为节热器的控制电路驱动。


节热器电路变得越来越重要和复杂,能够实现更高的效率,可靠性和安全性要求,并帮助提升高功率条件下的电源效率。这些电路有助於减少保持接触器闭合所需的电流消耗。此节热器可以直接整合到接触器中,也可以是外部添加。需要外部节热器的接触器在尝试实现系统级安全目标时,可能会很快变得复杂。


DRV3946-Q1 驱动器等完全整合的高功率接触器驱动器 ,可取代复杂的节热器设计。DRV3946-Q1 驱动器可有效开启和安全关闭接触器。为了让开启更有效率, DRV3946-Q1 驱动器具有可编程的峰值和保持电流控制。图二显示此功能正在使用中。?动时可提供更多电流以建立初始连接。连接完成後,电流可以在「保持」阶段降低到 较低的水平。能够对整合的峰值和保持相位进行编程,从而为接触器提供了更稳健,更高效的转向。



图二 : DRV3946-Q1 的峰值和保持电流控制
图二 : DRV3946-Q1 的峰值和保持电流控制

关闭接触器也很重要;能够快速断开接触器有助於防止接触焊接,并在发生故障时为车辆其他系统提供第一道防 线。运用快速放电能力实作峰值及保持电流控制的常见解决方案会导致复杂电路。DRV3946-Q1 驱动器将这两种功能整合在单一晶片中,有助於降低系统复杂性,提升效率与安全性。


结论

提升接触器的效率和可靠性有助於增加可行驶的里程,并提升 HEV 和 EV 日常运作的安全性。将热熔断驱动器整合至单晶片解决方案,有助於更聪明且更快速的决定何时中断电池连线。DRV3901-Q1 高温保险丝驱动器和 DRV3946-Q1 接触器驱动器提供系统设计人员选择,以设计更智慧,更安全的车辆。


**刊头图(source:TI)


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