【導讀】對于混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV)，電池管理系統 (BMS) 中的配電系統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增長，配電系統的兩個核心組件（高壓繼電器和斷開保險絲）面臨越來越多的設計挑戰。圖 1 展示了高壓繼電器和斷開保險絲的概覽。
對于混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV)，電池管理系統 (BMS) 中的配電系統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增長，配電系統的兩個核心組件（高壓繼電器和斷開保險絲）面臨越來越多的設計挑戰。圖 1 展示了高壓繼電器和斷開保險絲的概覽。
圖1：BMS配電系統中的電池斷開保險絲和高壓繼電器
在緊急情況下，不可復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動器領域的新興技術，這些技術有助于使 BMS 變得更加智能、安全和高效。
實現快速可靠的電池斷開系統
在發生碰撞時，需要切斷下游系統的電源，從而避免出現其他復雜問題或損壞。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生過流事件的熱條件下觸發，這些保險絲在出廠時就已經預先設置完成。熱熔絲需要電子驅動器發送信號來斷開連接，主要由離散電路或傳統的安全氣囊電爆驅動器驅動。隨著 HEV 和 EV 系統的功率越來越高，熱熔絲能夠提供更高的可靠性，并更快地進行部署。但是，為了實現快速反應以及驅動這些熱熔絲的常用解決方案很容易變得非常復雜。還需要滿足國際標準化組織 (ISO) ISO26262 的要求，增加了這些設計的復雜性。
為了實現更快響應，德州儀器 (TI) DRV3901-Q1熱熔絲驅動器采用了可以繞過串行外設接口 (SPI) 的直連 2 引腳硬件接口。DRV3901-Q1 驅動器能夠與電壓、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生撞車或其他嚴重故障時，能夠斷開電池與系統其余部分的連接。系統設計人員必須確保能夠可靠地激活熱熔絲功能。DRV3901-Q1 的內置診斷功能可監測驅動器狀態、熱熔絲運行狀況和備用電源的可用性。為了監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的備用電源。通過定期檢查該電容器的放電電壓，DRV3901-Q1 驅動器和 MCU 能夠檢測其故障，并向車輛發出警報，而不必等到需要使用時才發現無法使用。
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。這是通過結合不同功能實現的，包括單獨的高側和低側驅動器、用于硬件直接觸發的冗余引腳以及串行外設接口上的循環冗余校驗 (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，此開關能夠在高壓下提供高電流。為了控制功率不斷增加的系統，HEV 和 EV 車輛中的接觸器不斷發展。接觸器的低壓電磁閥元件通常由稱為節能器的控制電路驅動。節能器電路變得日益重要和復雜，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。在嘗試實現系統級的安全目標時，需要外部節能器的接觸器很容易變得非常復雜。
完全集成式高功率接觸器驅動器（如DRV3946-Q1驅動器）可以替代復雜的節能器設計。DRV3946-Q1 驅動器可使接觸器高效導通并安全關斷。為了實現更高效的導通，DRV3946-Q1 驅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用情況。可以在啟動期間提供更大的電流，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。能夠對集成的峰值和保持相位進行編程，可使接觸器的開關更加穩健、高效。
圖 2：DRV3946-Q1 中的峰值和保持電流控制
關閉接觸器也至關重要，它能夠快速斷開接觸器有助于防止觸點焊接，并在出現故障時為車輛系統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峰值和保持電流控制，但會導致電路變得復雜。DRV3946-Q1 驅動器將這兩項功能結合在單個芯片上，有助于降低系統復雜性，提高效率和安全性。
結語
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 熱熔絲驅動器和 DRV3946-Q1 接觸器驅動器為系統設計人員提供了多種選項，可支持他們設計出更智能、更安全的車輛。
（來源：德州儀器）
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