电爆驱动器和接触器驱动器如何帮助提高混合动力汽车/电动汽车电池断开系统的安全性和效率

作者：德州仪器



对于混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV)，电池管理系统 (BMS) 中的配电系统可为车辆的核心功能供电，还可提供安全断开高电压或高电流事件的机制。随着对更高电压、电流、效率和可靠性的需求持续增长，配电系统的两个核心组件（高压继电器和断开保险丝）面临越来越多的设计挑战。图 1 展示了高压继电器和断开保险丝的概览。


图 1：BMS 配电系统中的电池断开保险丝和高压继电器

在紧急情况下，不可复位的电池断开保险丝将激活，断开电池与车辆其余部分之间的连接。高压继电器（也称为接触器）会在正常运行期间连接和断开整个 HEV 或 EV 的电源线。在本文中，我们将讨论接触器和断开保险丝驱动器领域的新兴技术，这些技术有助于使 BMS 变得更加智能、安全和高效。

实现快速可靠的电池断开系统

在发生碰撞时，需要切断下游系统的电源，从而避免出现其他复杂问题或损坏。目前常用的两种解决方案是熔断型保险丝和热熔丝。熔断型保险丝会在发生过流事件的热条件下触发，这些保险丝在出厂时就已经预先设置完成。热熔丝需要电子驱动器发送信号来断开连接，主要由离散电路或传统的安全气囊电爆驱动器驱动。随着 HEV 和 EV 系统的功率越来越高，热熔丝能够提供更高的可靠性，并更快地进行部署。但是，为了实现快速反应以及驱动这些热熔丝的常用解决方案很容易变得非常复杂。还需要满足国际标准化组织 (ISO) ISO26262 的要求，增加了这些设计的复杂性。

为了实现更快响应，德州仪器 (TI) DRV3901-Q1 热熔丝驱动器采用了可以绕过串行外设接口 (SPI) 的直连 2 引脚硬件接口。DRV3901-Q1 驱动器能够与电压、电流和电阻 (UIR) 传感器配对使用，从而进一步加快部署速度。BQ79631-Q1 器件这样的 UIR 传感器可以通过硬件引脚直接与 DRV3901-Q1 驱动器进行通信，无需使用 MCU。

热熔丝较为重要的功能之一是在发生撞车或其他严重故障时，能够断开电池与系统其余部分的连接。系统设计人员必须确保能够可靠地激活热熔丝功能。DRV3901-Q1 的内置诊断功能可监测驱动器状态、热熔丝运行状况和备用电源的可用性。为了监控备用电源的可用性，需要测量储能电容器。如果电池提供的主电源不再可用，该电容器将作为热熔丝系统的备用电源。通过定期检查该电容器的放电电压，DRV3901-Q1 驱动器和 MCU 能够检测其故障，并向车辆发出警报，而不必等到需要使用时才发现无法使用。

保险丝在需要时能够起效很重要，但保险丝不会错误熔断也同样重要。DRV3901-Q1 驱动器具有集成的安全诊断功能，可防止热熔丝意外熔断。这是通过结合不同功能实现的，包括单独的高侧和低侧驱动器、用于硬件直接触发的冗余引脚以及串行外设接口上的循环冗余校验 (CRC) 保护。

改善车辆的整体配电状况

HEV 或 EV 的电源线中常见的连接方式，是将高压电池系统连接到牵引逆变器的主接触器。也可能存在其他电源轨，例如用于连接充电站与电池的交流/直流充电接触器，以及连接车内灯或加热器等其他电气负载的辅助接触器。

接触器是一种低压电磁阀，用于控制机械继电器开关，此开关能够在高压下提供高电流。为了控制功率不断增加的系统，HEV 和 EV 车辆中的接触器不断发展。接触器的低压电磁阀元件通常由称为节能器的控制电路驱动。节能器电路变得日益重要和复杂，以满足对效率、可靠性和安全性的更高要求，还有助于提高大功率条件下的电源效率。这些电路有助于降低保持接触器闭合所需的电流消耗。此节能器可以直接集成到接触器中，也可以从外部添加。在尝试实现系统级的安全目标时，需要外部节能器的接触器很容易变得非常复杂。

完全集成式高功率接触器驱动器（如 DRV3946-Q1 驱动器）可以替代复杂的节能器设计。DRV3946-Q1 驱动器可使接触器高效导通并安全关断。为了实现更高效的导通，DRV3946-Q1 驱动器具有可编程的峰值和保持电流控制功能。 图 2 展示了此功能的实际应用情况。可以在启动期间提供更大的电流，以便建立初始连接。建立连接后，电流可在“保持”阶段降低到较低的水平。能够对集成的峰值和保持相位进行编程，可使接触器的开关更加稳健、高效。


图 2：DRV3946-Q1 中的峰值和保持电流控制

关闭接触器也至关重要，它能够快速断开接触器有助于防止触点焊接，并在出现故障时为车辆系统的其余部分提供第一道防线。常用解决方案利用快速放电功能实现峰值和保持电流控制，但会导致电路变得复杂。DRV3946-Q1 驱动器将这两项功能结合在单个芯片上，有助于降低系统复杂性，提高效率和安全性。

结语

提升接触器的效率和可靠性有助于增加可驾驶里程、并增强 HEV 和 EV 日常驾驶的安全性。将热熔丝驱动器集成到单芯片解决方案中，有助于针对何时断开电池连接做出更智能、更快速的决策。DRV3901-Q1 热熔丝驱动器和 DRV3946-Q1 接触器驱动器为系统设计人员提供了多种选项，可支持他们设计出更智能、更安全的车辆。