巩固未来： Littelfuse 如何保障电动汽车电池管理系统的安全？
处理瞬态和过电流的解决方案有助于提高电力驱动系统的可靠性
发布于2025-06-25
作者：James Colby ，Littelfuse公司
根据市场预测，到 2025 年，高端汽车中的电子元件价值将超过 6000 美元。这些先进的电子设备大多将出现在日益普及的电动汽车（EV）中。电动汽车（EV）和新能源产业的兴起也为电路保护产品提供了新的市场空间。电池管理系统作为实时监控、自动平衡、智能充放电的重要子系统，在确保安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能方面发挥着至关重要的作用。它通过一系列管理和控制措施，确保电动汽车的正常运行。由于电动汽车中的 BMS 和电子控制系统对电流和电压波动非常敏感，因此需要高效的电路保护产品来确保系统安全。
Littelfuse产品广泛应用于电动汽车，如电池管理系统、电力驱动装置、电子控制系统和车载充电器。其中，电池管理系统（BMS）可对各种电池单元进行智能管理和维护，防止电池过充电和过放电，监控电池状态，延长电池寿命。Littelfuse 目前有多种产品应用于 BMS，包括电池管理单元、整个通信管理，甚至整个电池系统管理，实现了完整的保护设计。
电动汽车电池含有大量能量。这些电池组主要包含大量 4.2 V 锂离子电池芯，工作电压一般在 400 - 500 V 之间。一个电池组包括大约 20 个并联串联的锂离子电池模块。每个制造商都有自己专有的模块和电池组设计，容量从 35 千瓦时到 100 千瓦时不等。
图：具有推荐保护和控制元件的通用储能系统的典型电路块
由于 400-500-V 电池组可储存千瓦时的能量，因此安全性是一个主要问题。 例如，一个电池组件中的短路会消耗大量电能并显著提高电池温度。 在这里，适当大小的电流断路器和瞬态过载保护对于避免汽车电子设备的灾难性破坏或损坏以及对汽车乘员的潜在伤害至关重要。
典型的电动汽车储能系统由电池组、大功率电流中断元件、电池控制电路和将电池状态传输至车辆主处理器的通信电路组成。
最佳的做法是为电池的每条感应线安装熔断器以提供过电流保护。 我们建议使用快速熔断器以便对过电流作出快速响应。请寻找表面贴装熔断器以便最大限度地减少占用模块 PC 板上的空间。此外，请寻找符合汽车耐用性标准并在 -55 至 125°C 温度范围内工作的符合 AEC-Q 标准的元件。为了保护电池组免受系统引起的瞬态、静电放电和其它类型瞬态的影响，我们建议使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管。表面贴装型可以吸收高达 1,500 W 的瞬态峰值脉冲功率或高达 200 A 的浪涌电流。 它们还可以安全地承受高达 30 kV 的静电放电冲击。请寻找具有 AEC-Q101 汽车级认证的版本。
我们还建议该设计包括用于电池平衡和控制电路的过电流和瞬态电压保护。这种做法可确保所有锂离子电池对负载供电的性能大致相同。 熔断器和 TVS 二极管是必须的。
此外，将模块连接在一起的通信总线应具有静电放电保护。静电放电可以在装配过程中引入，并可能造成“未完全损坏”的元件或彻底的灾难性故障。我们建议使用对钳位瞬态具有超快响应的双向静电放电二极管。
图：双向保护静电放电二极管的示例示意图，该二极管由两个阳极到阳极连接的 TVS 二极管组成。（参考：AQxxC-01FTG TVS 二极管阵列）
图：双通道静电放电二极管阵列的示例示意图，该双通道静电放电二极管阵列可吸收任一阵列的瞬变，该阵列可在损坏CAN总线之前吸收任一极性的瞬变。（参考：AQ24CANA TVS 二极管阵列）
整个电池组组件应配备熔断器，以防止电流过载。 由于电池的工作电压高于 400 V，我们建议使用额定电压超过电池输出电压并能够承载适当电流容量的延时熔断器。 此外，保护元件应符合汽车可靠性标准（ISO-8820、AEC-Q 等）。
控制和保护电路 (C&PC) 操作接触器主开关并将其状态反馈给电池系统控制器。C&PC必须快速运行。 该电路通常包含用于打开接触器的功率 MOSFET； 并且，MOSFET 必须快速切换。 我们建议使用专门设计用于控制 MOSFET 的栅极驱动器芯片。栅极驱动器可以表现出低于 10 纳秒的上升时间，并且对闩锁条件具有很高的免疫力。 它们确保了 MOSFET 的高效运行。
电池系统控制器将电池组的数据提供给主要的车辆微处理器。 它需要与其它电路模块类似的电流过载和瞬态电压保护。 该电路包含 CAN 接口。 数据线完整性对于无损数据传输至关重要。 我们建议使用 ESD 二极管保护这些线路。 幸运的是，一个元件就可以保护高低线。
保护电池模块
图：带有推荐保护元件的电池模块框图，用于电池的简单串联。
我们已经讨论了在模块输出上具有高额定电压的主熔断器。 每个单独的电池也应该安装熔断器。 低压熔断器可用于此目的。 每个模块都有自己的微处理器来监控电池状态并将其报告给主控制器。 因此，有线接口应使用 TVS 二极管阵列来保护 CAN 数据线。
电池分配单元将电池电压提供给各种车辆负载。我们建议采用高压熔断器和高压/大电流接触器的拓扑结构，以保护单个负载免受电流过载的影响，并将每个负载与所有其它负载隔离。这种做法可以保护每个负载免受任何其它负载故障的影响。此外，考虑添加接触器以提供对电池组的初级保护。 主接触器将电池与各种负载和电动传动系统断开。预充电接触器（与电阻器配对）提供了将直流链路电容器初始充电至电池电压 90% 的路径。 这种接触器-电阻器组合可保护电容器免受最初为电池组供电时出现的高浪涌电流的影响。
图：具有推荐保护元件的电池分配装置。
尽管保护元件放置得当，电池组仍可能出现内部短路或受到外部短路的影响。怎样才能控制损失呢？考虑加入最后一道防线：混合保护和断开模块。该解决方案结合了电流传感、熔断器和点火系统，旨在确保电池与负载断开。点火系统可确保最短1毫秒的快速响应，并在主电池汇流排上断开，以确保电路断开以及任何电弧都被熄灭。一个独立的模块可提供具有快速检测和响应的高中断电流能力。负载受到了短路电流过载保护。 这项新技术可最大限度地减少对电池的损坏。
作为一种日益普及的交通工具，电动汽车不仅要不断提高其效能和续航力，还要更加注重其安全性和可靠性。由于电动汽车电池组结构复杂，整个模组和单个电池都需要全面的过流和过载保护。其使用不仅关系到驾驶者，还影响到周围环境中其他人的生命和财产安全。Littelfuse 丰富多样的电路保护技术使其成为电动汽车行业的理想选择。