對于混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV)，電池管理系統(tǒng) (BMS) 中的配電系統(tǒng)可為車輛的核心功能供電，還可提供安全斷開高電壓或高電流事件的機制。隨著對更高電壓、電流、效率和可靠性的需求持續(xù)增長，配電系統(tǒng)的兩個核心組件(高壓繼電器和斷開保險絲)面臨越來越多的設(shè)計挑戰(zhàn)。圖 1 展示了高壓繼電器和斷開保險絲的概覽。
圖 1：BMS 配電系統(tǒng)中的電池斷開保險絲和高壓繼電器
在緊急情況下，不可復(fù)位的電池斷開保險絲將激活，斷開電池與車輛其余部分之間的連接。高壓繼電器(也稱為接觸器)會在正常運行期間連接和斷開整個 HEV 或 EV 的電源線。在本文中，我們將討論接觸器和斷開保險絲驅(qū)動器領(lǐng)域的新興技術(shù)，這些技術(shù)有助于使 BMS 變得更加智能、安全和高效。
實現(xiàn)快速可靠的電池斷開系統(tǒng)
在發(fā)生碰撞時，需要切斷下游系統(tǒng)的電源，從而避免出現(xiàn)其他復(fù)雜問題或損壞。目前常用的兩種解決方案是熔斷型保險絲和熱熔絲。熔斷型保險絲會在發(fā)生過流事件的熱條件下觸發(fā)，這些保險絲在出廠時就已經(jīng)預(yù)先設(shè)置完成。熱熔絲需要電子驅(qū)動器發(fā)送信號來斷開連接，主要由離散電路或傳統(tǒng)的安全氣囊電爆驅(qū)動器驅(qū)動。隨著 HEV 和 EV 系統(tǒng)的功率越來越高，熱熔絲能夠提供更高的可靠性，并更快地進行部署。但是，為了實現(xiàn)快速反應(yīng)以及驅(qū)動這些熱熔絲的常用解決方案很容易變得非常復(fù)雜。還需要滿足國際標準化組織 (ISO) ISO26262 的要求，增加了這些設(shè)計的復(fù)雜性。
為了實現(xiàn)更快響應(yīng)，德州儀器 (TI) DRV3901-Q1 熱熔絲驅(qū)動器采用了可以繞過串行外設(shè)接口 (SPI) 的直連 2 引腳硬件接口。DRV3901-Q1 驅(qū)動器能夠與電壓、電流和電阻 (UIR) 傳感器配對使用，從而進一步加快部署速度。BQ79631-Q1 器件這樣的 UIR 傳感器可以通過硬件引腳直接與 DRV3901-Q1 驅(qū)動器進行通信，無需使用 MCU。
熱熔絲較為重要的功能之一是在發(fā)生撞車或其他嚴重故障時，能夠斷開電池與系統(tǒng)其余部分的連接。系統(tǒng)設(shè)計人員必須確保能夠可靠地激活熱熔絲功能。DRV3901-Q1 的內(nèi)置診斷功能可監(jiān)測驅(qū)動器狀態(tài)、熱熔絲運行狀況和備用電源的可用性。為了監(jiān)控備用電源的可用性，需要測量儲能電容器。如果電池提供的主電源不再可用，該電容器將作為熱熔絲系統(tǒng)的備用電源。通過定期檢查該電容器的放電電壓，DRV3901-Q1 驅(qū)動器和 MCU 能夠檢測其故障，并向車輛發(fā)出警報，而不必等到需要使用時才發(fā)現(xiàn)無法使用。
保險絲在需要時能夠起效很重要，但保險絲不會錯誤熔斷也同樣重要。DRV3901-Q1 驅(qū)動器具有集成的安全診斷功能，可防止熱熔絲意外熔斷。這是通過結(jié)合不同功能實現(xiàn)的，包括單獨的高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動器、用于硬件直接觸發(fā)的冗余引腳以及串行外設(shè)接口上的循環(huán)冗余校驗 (CRC) 保護。
改善車輛的整體配電狀況
HEV 或 EV 的電源線中常見的連接方式，是將高壓電池系統(tǒng)連接到牽引逆變器的主接觸器。也可能存在其他電源軌，例如用于連接充電站與電池的交流/直流充電接觸器，以及連接車內(nèi)燈或加熱器等其他電氣負載的輔助接觸器。
接觸器是一種低壓電磁閥，用于控制機械繼電器開關(guān)，此開關(guān)能夠在高壓下提供高電流。為了控制功率不斷增加的系統(tǒng)，HEV 和 EV 車輛中的接觸器不斷發(fā)展。接觸器的低壓電磁閥元件通常由稱為節(jié)能器的控制電路驅(qū)動。節(jié)能器電路變得日益重要和復(fù)雜，以滿足對效率、可靠性和安全性的更高要求，還有助于提高大功率條件下的電源效率。這些電路有助于降低保持接觸器閉合所需的電流消耗。此節(jié)能器可以直接集成到接觸器中，也可以從外部添加。在嘗試實現(xiàn)系統(tǒng)級的安全目標時，需要外部節(jié)能器的接觸器很容易變得非常復(fù)雜。
完全集成式高功率接觸器驅(qū)動器(如 DRV3946-Q1 驅(qū)動器)可以替代復(fù)雜的節(jié)能器設(shè)計。DRV3946-Q1 驅(qū)動器可使接觸器高效導(dǎo)通并安全關(guān)斷。為了實現(xiàn)更高效的導(dǎo)通，DRV3946-Q1 驅(qū)動器具有可編程的峰值和保持電流控制功能。 圖 2 展示了此功能的實際應(yīng)用情況?？梢栽趩悠陂g提供更大的電流，以便建立初始連接。建立連接后，電流可在“保持”階段降低到較低的水平。能夠?qū)傻姆逯岛捅３窒辔贿M行編程，可使接觸器的開關(guān)更加穩(wěn)健、高效。
圖 2：DRV3946-Q1 中的峰值和保持電流控制
關(guān)閉接觸器也至關(guān)重要，它能夠快速斷開接觸器有助于防止觸點焊接，并在出現(xiàn)故障時為車輛系統(tǒng)的其余部分提供第一道防線。常用解決方案利用快速放電功能實現(xiàn)峰值和保持電流控制，但會導(dǎo)致電路變得復(fù)雜。DRV3946-Q1 驅(qū)動器將這兩項功能結(jié)合在單個芯片上，有助于降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高效率和安全性。
結(jié)語
提升接觸器的效率和可靠性有助于增加可駕駛里程、并增強 HEV 和 EV 日常駕駛的安全性。將熱熔絲驅(qū)動器集成到單芯片解決方案中，有助于針對何時斷開電池連接做出更智能、更快速的決策。DRV3901-Q1 熱熔絲驅(qū)動器和 DRV3946-Q1 接觸器驅(qū)動器為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了多種選項，可支持他們設(shè)計出更智能、更安全的車輛。
（來源：德州儀器）
