动力电池管理系统系统保护方案

作者: 王茂范

电动汽车的安全性，尤其是动力电池的安全性，一直以来都是消费者关注的重点。作为电动车动力电池系统的“大脑”，动力电池管理系统(BMS)的设计和性能直接影响电动汽车的使用和安全，产品应通过EMC测试，对于使用中可能存在的过载、短路、浪涌、静电等具有完善的保护功能。BMS开发和生产应符合ISO26262标准，其设计方法、安全技术、测试方法以及需要达到的技术指标的要求非常严格。

常规BMS系统框图如图1所示，主要由主控单元、从控单元、信息采集单元、信息传输及显示单元等组成。在硬件设计过程中，为达成产品的高可靠性和安全性，在各功能区需要选择PPTC、FUSE等被动保护器件以保护电子电路在复杂电磁环境中的功能和安全。


图1:BMS系统框图

（1）控制单元电源输入保护

在电动汽车的使用过程中，其电子设备常常遭受瞬态脉冲骚扰源的干扰，其形态为各种瞬变电压或者电路开断瞬间的电弧等，可以影响电子设备的正常工作或造成设备损坏。

ISO 7637中规定的5种脉冲用以模拟现实使用环境中可能出现的瞬态电压变化，脉冲1、脉冲2b及脉冲5属于高能量脉冲，测试时较难通过。设计上可以通过选用PPTC和TVS实现电压钳位和限流的作用，保护下游电子电路的安全。PPTC由于其独特的电阻温度特性，可以在TVS导通后，抑制电流，减小TVS的泻流时间，起到保护TVS及后级电路作用。由表1可以看出，PPTC与TVS的组合方案可以更好地帮助电子系统抵御抛负载脉冲的影响。

表1:PPTC对抛负载测试的影响



图2:PPTC在电子系统电源中的典型应用

PPTC在汽车电子电路中的典型应用电路如图2所示。PPTC的选用，不仅可以帮助系统通过抛负载等脉冲干扰测试，还可以抑制系统过流和保护短路的情形。在实际设计选型过程中，需要考虑电路的最高工作电压，最大工作电流、使用最高温度及尺寸封装。对于一些过流故障情况下的动作要求及高温下的保持电流折减也要有充分的考虑。最后在实际测试中优化选型参数，达到最优的保护效果。TE Connectivity的Auto系列PPTC，适用于汽车相关产品的应用，您可以通过查询官网或与我们直接联系来获得选型上的帮助。

（2）均衡线束和采样线束保护

动力电池需要经由单体电芯串并联组成，理想的情况下，电池包内使用的单体电芯应该在同一时间采用相同的生产工艺制造出来，所有电芯应具有高度的一致性。然而，鉴于实际生产过程中的波动，即使对同一电池包所采用的电芯进行一致性分组，单体电芯间的差异仍然是客观存在的。另一方面，由于动力电池包体积较大，不同位置的电芯的使用环境也存在差异。在单体电芯串并成组后，这些差异还会由于各个电芯衰减的不一致而进一步变大，从而使电池包的寿命、可靠性及安全等诸多方面难以得到保证。

BMS系统比较重要的功能就包括对单体电芯电压等状态变量进行采样，实时监控。同时，在单体电芯间出现不均衡现象时，通过能量的转移或消耗的方式，使各串电池得以均衡。采样线束和均衡线束由于与电动汽车电池直接相连，硬件上的任何短路都会造成电池的直接短路，而危及使用者的人身安全。按照ISO26262的功能安全完整性等级划分，应属于高级别，设计时对功能安全要求很高。


图3:Model S在采样均衡线束中的保护方案

成熟的保护方案，通常是采用PPTC或Fuse来保护采样及均衡线速的短路情形。如图3所示某知名电动汽车品牌Model S车型采用Fuse对线束进行保护。采用PPTC或Fuse的线束保护方案，在选型时，PPTC额定电压或Fuse分断电压的选取应考虑模组最远端的线束短路情形；而PPTC保持电流或Fuse的额定工作电流的确定需要充分考虑最大工作电流及相应的温度折减，采样线路的工作电流通常较小，对于均衡线路，考虑功耗的情形，目前主动均衡电流最高一般不超过2A，被动均衡电流通常不超过1A。另外PPTC的电阻压降对于采样线的影响也需加以考量。典型的应用示意图如图4。


图4:PPTC、FUSE在采样均衡线束中的典型应用

考虑保护器件组装的情形，目前较多采用表贴器件，置于BMS板线束入口处。对于均衡线束，一种更为理想的方式是采用TE的Strap PPTC，如LR4系列。Strap PPTC的引脚为Ni，比较容易焊接在电芯端子上，同时也易于与线束连接。该保护方案，线束短路情况下，电池会得到更为全面的保护。

（3）温度监测

动力电池成组后，实际使用过程中热量分布是不均匀的。成熟的热管理方案应该能够较好地感测电池包内部不同位置的温度，特别是在个别电池由于故障而产生过高的温度时能够及时的通知系统做出相应动作。如图5所示，PPTC阻值随温度变化的特性可以帮助系统探知电池组内是否有部分电池出现过热的情形，避免热失控的发生。


图5:PPTC作为温度sensor

（4）通信总线保护

BMS中，各单元模块以及与上级系统之间需要通信，完成信息的传递。目前较多采用CAN bus接口协议。CAN bus在实际应用中常常会出现发送输出级对电源及地或负载短路及瞬态电压干扰等现象，常见的故障包括CAN-Low与电池短接、CAN-Low与地短接以及CAN-Low与CAN-High短接等情形。在设计过程中，通常采用PPTC和TVS组成保护电路，保护各种短路和其他过电流的情形，如图6所示某BMS生产商采用的保护方案。PPTC的选型过程与电源输入电路PPTC选型类似，考虑CAN bus的通用性，其工作电流通常为几十mA，通常选用nanoASMD012F即可满足要求。


图6:PPTC在CAN bus中的典型应用

（5）其他单元的保护

BMS系统较为复杂，各单元电路中均存在瞬态脉冲干扰、短路、过载电流等过压和过流的故障情形，如二极管短路、风扇线圈过载等。在设计时可以参照上述案例的情形。


图7:RTP保护功率器件

而在某些功率器件处，由于热失控可能造成极为恶劣的事故，TE的过温保护器件RTP是个不错的选择。RTP作为温度保险丝，可以实现回流焊接组装。在实际应用中，如图7所示，一旦器件感测到功率器件等过热即会切断电路，避免灾难性后果。

综上，TE多样化的产品，为BMS系统提供了必须的被动保护，可供参考的应用如表2。您可以登录TE网站或联系我们寻求产品及应用上的技术支持。

表2:TE推荐的参考应用方案