電路保護、電源控制和溫度管理電路的可靠設計是長期耐久性和安全性的關鍵

發展電動二輪和三輪車與發展四輪或更大的電動汽車一樣，對防治污染和緩解氣候變化具有至關重要的作用。與汽車和卡車相比，內燃機驅動的二輪和三輪車數量龐大，但相對缺乏燃料燃燒控制技術，因而會產生大量污染。不論是二輪或三輪電動車還是四輪或更大的電動汽車，它們的設計者都面臨同樣的艱巨挑戰，包括盡可能延長兩次充電之間的行駛里程，以及提高車輛可靠性和安全性。

讓兩次充電之間的行駛里程更長，這是市場的需求，為此設計者就必須降低電路的功耗來優化效率。此外，市場對電動車輛的可靠性和安全性也有很高的要求，因而設計者開發的電路必須對雷電和靜電放電 (ESD) 等瞬態現象具備良好的適應性。

圖1所示就是電動輕便二輪車中的各個子系統，以及提高其可靠性和效率的各種保護、控制和傳感元件。本文將集中探討使二輪和三輪電動車的三大子系統可靠高效的建議，這三大子系統分別是電池管理系統 (BMS)、發動機控制單元 (ECU) 和車載充電機。本文的重點將放在保護和傳感元件以及控制元件上。保護和傳感元件可以保護這些子系統的電路不受過載和瞬態變化損害；控制元件則能夠盡可能地減少電力消耗并延長電池續航和壽命。

圖1：二輪電動車的子系統以及電路保護、控制和傳感元件

電池管理系統 (BMS)

BMS的工作是管理電池的輸出，并保持各個電池單元的平衡；此外它還負責檢測并控制來自充電機的電能，從而保護電池。典型的BMS包括電池監測和管理電路、電池單元保護電路和通信接口。圖2所示即為BMS的框圖。

圖2：電池管理系統的框圖，圖中表示了推薦的保護、控制和傳感元件所在的電路

電池斷開裝置

部分高儲能電池組配備了電池斷開單元。這一重要系統可提供預充電連接、連接和斷開負載、熔斷和電流傳感等功能。一旦檢測到過載情況，該裝置就會分斷，將電池組與負載隔離。該裝置控制著送往電機的大功率電能，故建議該裝置選用能夠承受電機和電機啟動器所產生高沖擊電流的延時熔斷器，同時務必確保熔斷器動作時具有足夠大的電阻，從而完全切斷過載電流。這里應選用開路電阻至少達到1MΩ的熔斷器，并且所選用的熔斷器應為符合ISO 8820或AEC-Q規范的UL或CSA元件。市場上可以找到具備這些特性，并且額定電流高達500A的產品；如果選用預先批準的元件，還可以使標準認證的過程進一步提速降本。

此外，建議使用瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管來抑制負載突降、ESD和雷電等瞬態電壓變化，防止下游敏感電子電路受到損壞。TVS二極管可以做到以下幾點：

安全地吸收高達30kV的ESD沖擊，這些沖擊可能源自空氣擊穿或人體直接接觸

安全地吸收高達600W的峰值脈沖功率（可根據需要提供更高功率版本）

在1ns內迅速響應瞬態變化

TVS二極管有雙向和單向兩種版本。如果該二極管有可能遇到電池反向的情況，請選用雙向二極管產品。對于汽車級元件，應選用符合AEC-Q101分立半導體標準并通過AEC-Q認證的TVS二極管。

在鋰離子電池組中，設計者應為各個電池單元獨立配備保護熔斷器（位于傳感線上），以防止因一個或一組電池單元發生短路故障而損壞整個電池組。此類熔斷器應選擇體積小巧、動作迅速的產品。具體而言，應滿足以下要求：

額定短路電流至少達到50A

能夠承受浪涌電流，但如果電池電流超過熔斷器額定值的250%，則需在數秒內迅速分斷

可在?55°C至+150°C的環境中工作，并且符合AEC-Q要求

采用表面貼裝封裝，從而盡可能減小PCB上的占用空間

為了能夠在正常運行期間、充電期間或檢測到問題時斷開電池組與負載的連接，可以考慮選用高電流/高電壓直流接觸器式繼電器。此類繼電器可以承載高達250A的電流，額定電壓可達900V。可以考慮選用IP67密封的充氣型繼電器，以降低電弧的風險。同時，應選用在脈沖寬度調制模式下運行的產品，以便節省能源。

電池單元保護模塊

電池單元保護模塊可防止電池組過熱。對于此模塊，應選用與電池單元熱耦合的負溫度系數 (NTC) 傳感器來監控電池溫度，并且應選用玻璃封裝的密封式NTC傳感器，這樣即使在惡劣的環境條件下也能提供長期的穩定性和可靠性。

I/O通信接口

I/O通信接口負責將電池的狀態傳輸給主控處理器。對于這塊電路而言，有必要根據ISO 10605的要求保護接口的數據線使之免受ESD影響，并采用TVS二極管陣列防止其他電壓瞬變的影響。此處應按照下面的規格來選用產品：

明確表示符合IEC 61000-4-2標準，并且可以針對空氣擊穿放電和人體直接接觸提供至少25kV的ESD保護

提供低鉗位電壓，或具有低動態電阻值

漏電流低，例如在正常工作條件下低于100nA

具有通過AEC-Q101認證的證明

圖3所示即為一種TVS二極管陣列。在此例中，只需采用一個小型封裝即可保護兩條數據線（例如用于CAN總線的數據線）。

圖3：一種雙端口TVS二極管陣列，用于保護數據線，使之免受任一極性的電壓瞬變損壞

電池交換電路

電池交換電路可實現在主電池和副電池之間進行切換。配備兩組電池可以延長兩次充電之間的行駛距離。該電路需要使用開路電阻較高的開關，以避免兩組電池之間出現意外的電流。干簧管就可以滿足這一要求，其絕緣電阻可以達到約1012Ω。為此，需要選用觸點容量達到200V、開關額定電流至少達到0.5A、功率處理能力至少為10W的干簧管。

漏電流電路

高端的摩托車和踏板車會監控車輛底盤的漏電流。如果漏電流超過預設值，繼電器就會閉合，從而向電池管理電路發送信號。為此，可以考慮選用光耦合固態繼電器。該繼電器需滿足以下幾點：

導通電阻小于10Ω

漏電流小于50nA

額定電壓和電流分別達到100V和150mA

輸入-輸出隔離至少達到1500Vrms

這些要求可以確保當漏電流處在限制范圍內時，繼電器能夠可靠、充分地將控制信號與電池管理電路隔離。

在這些為數不多的保護、控制和傳感元件的支持下，電池管理系統便可以成為電動車輛中強大而可靠的一個子系統。

發動機控制單元

發動機控制單元 (ECU) 是車輛的主要處理和控制單元，它負責控制電機驅動電路，并處理包括電池組狀態在內的各種數據，以便駕駛員了解電池組的狀況。圖4所示即為組成ECU的各個電路。

圖4：發動機控制單元/電機驅動的框圖，圖中表示了推薦的保護、控制和傳感元件所在的電路

輔助電源控制單元

輔助電源電路是一種低壓電源，負責為處理器以及其他控制開關FET與電機動作的電路元件進行供電。為此，可以考慮選用高額定電流的熔斷器來保護整個系統免受過載電流影響，同時再選用快速動作的熔斷器來防止各個電路因過載而損壞。此處選用的熔斷器可以參考前文對電池管理系統中電池斷開裝置的建議。元件級別的保護除了可以采用一次性熔斷器外，還可以考慮選用聚合物正溫度系數 (PPTC) 可復位熔斷器。此類裝置可以在故障排除后復位到正常狀態。如果潛在臨時性故障主要源自裝配錯誤或使用不當，那么此類裝置就會非常有用。選用PPTC可復位熔斷器時需要注意以下幾點：

額定電流應達到15A，額定電壓約為60VDC

采用表面貼裝封裝，以便節省空間并且便于自動化PCB插入

輔助電源單元應采用TVS二極管加以保護，使之免受ESD和電壓瞬變影響。TVS二極管應考慮選用推薦用于保護BMS電池斷開裝置的產品。

反極性電源橋保護

反極性電源橋保護電路可以保護電機驅動電路免受電池與車輛電路錯誤連接的影響。對于此類反極性保護，可以考慮選用肖特基二極管（它也可以用于DC-DC轉換器電路的整流）。肖特基二極管提供低正向壓降，因而能夠減少能量損失，并且可以讓轉換器以更高頻率工作，從而提高轉換器的效率。此外，工作頻率更高也意味著可以使用更小的電桿元件，從而節省成本并減少PCB占用空間。該電路中使用了開關元件（IGBT、MOSFET），因而可能容易受到高溫故障的影響。當FET發生阻性短路時，這種故障就會顯現出來。為了避免發生這種情況，這里建議使用熱保護器，以便在發生不受控制的過熱情況時，將電路與電源斷開。此處應選擇可以切斷高達500A電流的元件。

電機驅動電路

電機驅動電路中包含用于驅動電機的功率輸出電路，應考慮使用多個MOSFET或者一個MOSFET模塊來進行功率驅動。所選用的MOSFET應具有以下特性：

低RDS(on)值，以便盡可能降低開關功率損耗

高熱效率和快速dv/dt額定值，以便高效驅動電機負載入

使用柵極驅動器可以有效的控制MOSFET。此處應考慮選用雙輸出器件來控制高側和低側MOSFET輸出配置。此外，還應選用具有閂鎖保護并且具備超過MOSFET dv/dt時間的快速上升/下降時間的驅動器。市場上可以找到上升/下降時間小于10ns的驅動器。

請務必使用數字溫度指示器來監測電機驅動電路是否過熱。圖5所示即為一種數字溫度指示器及其電阻溫度曲線。此類器件是一種聚合物溫度指示器，當溫度達到某一閾值時，其電阻值會改變108倍。當電阻升高時，即表示監控的電路溫度升高，從而斷開電機的供電；當溫度下降到臨界關斷溫度以下時，該元件將會復位，電機供電便可恢復。此外，這里也可以選用類似于推薦用于BMS電池保護模塊的密封玻璃傳感器的NTC溫度傳感器。

圖5：熱保護其的電阻溫度曲線以及此類器件的圖片

電機

作為最關鍵的驅動組件，電機應收到妥善保護，使其免受過熱、轉速過高和堵轉的損壞。這些情況只需使用兩個傳感元件即可解決。其一是NTC溫度傳感器，用于監測電機溫度。這里可以選用與監測電機驅動電路相同的產品。其二是霍爾傳感器/開關，用于監測電機轉速和轉子位置。霍爾傳感器具有可以輸出電壓或電流的版本，選用最適合您的設計的輸出即可。應選用開關壽命較長的霍爾傳感器/開關，以便盡可能提高可靠性。霍爾傳感器開關可以實現高達200億次的開關操作。

I/O通信接口

I/O通信接口使ECU能夠與車輛傳感和控制電路以及電池組狀態線連接。這里可按照BMS中I/O通信接口的建議來選用TVS二極管陣列，從而保護該接口的數據線免受ESD和其他瞬態變化的影響。

ECU是電動車輛中最關鍵的系統。確保該系統得到適當保護至關重要。

車載充電機

車載充電機可將交流電轉換為直流電，從而為電池組充電提供充電電壓和電流。圖6所示為組成車載充電機的電路，以及為各個電路推薦的保護、控制和傳感元件。

圖6：車載充電機的框圖，圖中表示了推薦的保護、控制和傳感元件所在的電路

輸入保護、整流和濾波

該電路與交流電源相連，因而會受到交流電源線上可能出現的過流狀況和電壓瞬變的影響。此處應使用延時熔斷器來切斷電流過載，為此需確保熔斷器的額定電壓高于線路電壓。這里建議選用UL或CSA認可的熔斷器元件，因為它需要連接到交流線路上。要實現汽車級的品質，還應考慮選用符合ISO 8820標準或通過AEC認證的熔斷器。

交流線路瞬變可能具有很大的能量，在這些瞬變中能夠安全吸收這些能量的元件應安裝在電路的輸入端。對于在電壓瞬變過程中實現盡可能降低鉗位電壓的關鍵電路而言，可以考慮以串聯的方式組合使用金屬氧化物變阻器 (MOV) 和保護晶閘管。部分MOV產品可以吸收高達10kA的峰值電流，工作電壓超過800VDC。它們還可以滿足AEC-Q200無源元件的質量要求。雙向保護晶閘管可以吸收高達3kA的浪涌電流，響應時間可達納秒級。此處應使用通過AEC-Q101認證的晶閘管產品。與單獨使用MOV相比，將MOV和晶閘管串聯使用可以進一步降低鉗位電壓。

功率因數控制電路

功率因數控制電路通過減少輸入電壓以及從電源線獲取的電流之間的相位差來提高充電機的效率，從而盡可能提高輸送到設備的實際功率，并降低可能具有更高峰值電流消耗的視在功率。對于該電路，建議選用Rds(on)值低于500mΩ的低Rds(on) MOSFET，以減少開關和傳導損耗。此外，還應采用TVS二極管來保護該電路不受自感電壓瞬變（主動鉗位）的影響，具體產品可選用推薦給BMS和ECU電路的TVS二極管的高壓版本。

高頻轉換器和鉗位電路

高頻轉換器和鉗位電路可將交流正弦輸入轉換為高頻方波因子。此處應使用MOSFET盡可能提高電路效率，以便產生方波信號。該電路應選用推薦用于功率因數控制電路的TVS二極管來加以保護。

輸出整流和濾波電路

輸出整流和濾波電路負責為電池組產生直流充電電壓和電流。此處應選用快速恢復的高頻開關整流二極管，以便盡可能減少電路中的開關損耗，同時應選用結溫超過150°C的整流二極管，以便盡可能提高可靠性。

輸出直流保護電路

輸出直流保護電路用于將充電電壓和電流連接到電池組上。此處應使用熔斷器來保護電路，防止因電池組或下游元件或系統發生短路而導致過載。應選用與輸入保護電路推薦的相同類型的熔斷器。

I/O通信接口

此處與BMS和ECU一樣，應使用與前文所述系統中的接口相同類型的TVS二極管陣列來保護I/O通信接口數據端口免受瞬態變化影響。瞬態保護有助于防止處理器因瞬態過載而出現災難性故障。

輸入保護和濾波

通過輸入保護和濾波，可以對充電機的輸出進行控制。該電路應使用TVS二極管進行保護。選用TVS二極管時，應注意以下特性：

30kV額定ESD電壓，包括空氣擊穿放電和直接人體接觸

1kA瞬態浪涌保護

此處應選用通過AEC-Q101認證的元件。如果PCB空間緊張，則可以選用節省空間的表面貼裝產品。

二輪和三輪電動車的安全標準

請務必留意二輪和三輪電動車必須遵守的國家和國際安全標準，如表1所示。如果在設計過程的早期就解決標準的要求，就可以節省開發時間。務必確保設計定義中包含目標市場的安全標準。

表1：二輪和三輪電動車適用的國家和國際安全標準

設計受保護和高效電路的價值

通過使用推薦的保護、控制和傳感元件，您可以實現市場所需的可靠性。您的設計將能抵御過流狀況和瞬時過載；您可以運用制造商的應用專長來實現這些保護措施，并節省設計和開發時間。應用工程師可以幫助選擇元件，并提供有關適用安全標準的合規性指導。

審核編輯：郭婷