设计可靠的二轮和三轮电动车，改善空气质量并减少对环境的影响

作者：James Colby

电路保护、电源控制和温度管理电路的可靠设计是长期耐久性和安全性的关键

发展电动二轮和三轮车与发展四轮或更大的电动汽车一样，对防治污染和缓解气候变化具有至关重要的作用。与汽车和卡车相比，内燃机驱动的二轮和三轮车数量庞大，但相对缺乏燃料燃烧控制技术，因而会产生大量污染。不论是二轮或三轮电动车还是四轮或更大的电动汽车，它们的设计者都面临同样的艰巨挑战，包括尽可能延长两次充电之间的行驶里程，以及提高车辆可靠性和安全性。

让两次充电之间的行驶里程更长，这是市场的需求，为此设计者就必须降低电路的功耗来优化效率。此外，市场对电动车辆的可靠性和安全性也有很高的要求，因而设计者开发的电路必须对雷电和静电放电 (ESD) 等瞬态现象具备良好的适应性。

图1所示就是电动轻便二轮车中的各个子系统，以及提高其可靠性和效率的各种保护、控制和传感元件。本文将集中探讨使二轮和三轮电动车的三大子系统可靠高效的建议，这三大子系统分别是电池管理系统 (BMS)、发动机控制单元 (ECU) 和车载充电机。本文的重点将放在保护和传感元件以及控制元件上。保护和传感元件可以保护这些子系统的电路不受过载和瞬态变化损害；控制元件则能够尽可能地减少电力消耗并延长电池续航和寿命。

图1：二轮电动车的子系统以及电路保护、控制和传感元件

电池管理系统 (BMS

BMS的工作是管理电池的输出，并保持各个电池单元的平衡；此外它还负责检测并控制来自充电机的电能，从而保护电池。典型的BMS包括电池监测和管理电路、电池单元保护电路和通信接口。图2所示即为BMS的框图。

图2：电池管理系统的框图，图中表示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路

电池断开装置

部分高储能电池组配备了电池断开单元。这一重要系统可提供预充电连接、连接和断开负载、熔断和电流传感等功能。一旦检测到过载情况，该装置就会分断，将电池组与负载隔离。该装置控制着送往电机的大功率电能，故建议该装置选用能够承受电机和电机启动器所产生高冲击电流的延时熔断器，同时务必确保熔断器动作时具有足够大的电阻，从而完全切断过载电流。这里应选用开路电阻至少达到1MΩ的熔断器，并且所选用的熔断器应为符合ISO 8820或AEC-Q规范的UL或CSA元件。市场上可以找到具备这些特性，并且额定电流高达500A的产品；如果选用预先批准的元件，还可以使标准认证的过程进一步提速降本。

此外，建议使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管来抑制负载突降、ESD和雷电等瞬态电压变化，防止下游敏感电子电路受到损坏。TVS二极管可以做到以下几点：

· 安全地吸收高达30kV的ESD冲击，这些冲击可能源自空气击穿或人体直接接触
· 安全地吸收高达600W的峰值脉冲功率（可根据需要提供更高功率版本）
· 在1ns内迅速响应瞬态变化

TVS二极管有双向和单向两种版本。如果该二极管有可能遇到电池反向的情况，请选用双向二极管产品。对于汽车级元件，应选用符合AEC-Q101分立半导体标准并通过AEC-Q认证的TVS二极管。

在锂离子电池组中，设计者应为各个电池单元独立配备保护熔断器（位于传感线上），以防止因一个或一组电池单元发生短路故障而损坏整个电池组。此类熔断器应选择体积小巧、动作迅速的产品。具体而言，应满足以下要求：

· 额定短路电流至少达到50A
· 能够承受浪涌电流，但如果电池电流超过熔断器额定值的250%，则需在数秒内迅速分断
· 可在−55°C至+150°C的环境中工作，并且符合AEC-Q要求
· 采用表面贴装封装，从而尽可能减小PCB上的占用空间

为了能够在正常运行期间、充电期间或检测到问题时断开电池组与负载的连接，可以考虑选用高电流/高电压直流接触器式继电器。此类继电器可以承载高达250A的电流，额定电压可达900V。可以考虑选用IP67密封的充气型继电器，以降低电弧的风险。同时，应选用在脉冲宽度调制模式下运行的产品，以便节省能源。

电池单元保护模块

电池单元保护模块可防止电池组过热。对于此模块，应选用与电池单元热耦合的负温度系数 (NTC) 传感器来监控电池温度，并且应选用玻璃封装的密封式NTC传感器，这样即使在恶劣的环境条件下也能提供长期的稳定性和可靠性。

I/O通信接口

I/O通信接口负责将电池的状态传输给主控处理器。对于这块电路而言，有必要根据ISO 10605的要求保护接口的数据线使之免受ESD影响，并采用TVS二极管阵列防止其他电压瞬变的影响。此处应按照下面的规格来选用产品：

· 明确表示符合IEC 61000-4-2标准，并且可以针对空气击穿放电和人体直接接触提供至少25kV的ESD保护
· 提供低钳位电压，或具有低动态电阻值
· 漏电流低，例如在正常工作条件下低于100nA
· 具有通过AEC-Q101认证的证明

图3所示即为一种TVS二极管阵列。在此例中，只需采用一个小型封装即可保护两条数据线（例如用于CAN总线的数据线）。

图3：一种双端口TVS二极管阵列，用于保护数据线，使之免受任一极性的电压瞬变损坏

电池交换电路

电池交换电路可实现在主电池和副电池之间进行切换。配备两组电池可以延长两次充电之间的行驶距离。该电路需要使用开路电阻较高的开关，以避免两组电池之间出现意外的电流。干簧管就可以满足这一要求，其绝缘电阻可以达到约1012Ω。为此，需要选用触点容量达到200V、开关额定电流至少达到0.5A、功率处理能力至少为10W的干簧管。

漏电流电路

高端的摩托车和踏板车会监控车辆底盘的漏电流。如果漏电流超过预设值，继电器就会闭合，从而向电池管理电路发送信号。为此，可以考虑选用光耦合固态继电器。该继电器需满足以下几点：

· 导通电阻小于10Ω
· 漏电流小于50nA
· 额定电压和电流分别达到100V和150mA
· 输入-输出隔离至少达到1500Vrms

这些要求可以确保当漏电流处在限制范围内时，继电器能够可靠、充分地将控制信号与电池管理电路隔离。

在这些为数不多的保护、控制和传感元件的支持下，电池管理系统便可以成为电动车辆中强大而可靠的一个子系统。

发动机控制单元

发动机控制单元 (ECU) 是车辆的主要处理和控制单元，它负责控制电机驱动电路，并处理包括电池组状态在内的各种数据，以便驾驶员了解电池组的状况。图4所示即为组成ECU的各个电路。

图4：发动机控制单元/电机驱动的框图，图中表示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路

辅助电源控制单元

辅助电源电路是一种低压电源，负责为处理器以及其他控制开关FET与电机动作的电路元件进行供电。为此，可以考虑选用高额定电流的熔断器来保护整个系统免受过载电流影响，同时再选用快速动作的熔断器来防止各个电路因过载而损坏。此处选用的熔断器可以参考前文对电池管理系统中电池断开装置的建议。元件级别的保护除了可以采用一次性熔断器外，还可以考虑选用聚合物正温度系数 (PPTC) 可复位熔断器。此类装置可以在故障排除后复位到正常状态。如果潜在临时性故障主要源自装配错误或使用不当，那么此类装置就会非常有用。选用PPTC可复位熔断器时需要注意以下几点：

· 额定电流应达到15A，额定电压约为60VDC
· 采用表面贴装封装，以便节省空间并且便于自动化PCB插入

辅助电源单元应采用TVS二极管加以保护，使之免受ESD和电压瞬变影响。TVS二极管应考虑选用推荐用于保护BMS电池断开装置的产品。

反极性电源桥保护

反极性电源桥保护电路可以保护电机驱动电路免受电池与车辆电路错误连接的影响。对于此类反极性保护，可以考虑选用肖特基二极管（它也可以用于DC-DC转换器电路的整流）。肖特基二极管提供低正向压降，因而能够减少能量损失，并且可以让转换器以更高频率工作，从而提高转换器的效率。此外，工作频率更高也意味着可以使用更小的电杆元件，从而节省成本并减少PCB占用空间。该电路中使用了开关元件（IGBT、MOSFET），因而可能容易受到高温故障的影响。当FET发生阻性短路时，这种故障就会显现出来。为了避免发生这种情况，这里建议使用热保护器，以便在发生不受控制的过热情况时，将电路与电源断开。此处应选择可以切断高达500A电流的元件。

电机驱动电路

电机驱动电路中包含用于驱动电机的功率输出电路，应考虑使用多个MOSFET或者一个MOSFET模块来进行功率驱动。所选用的MOSFET应具有以下特性：

· 低RDS(on)值，以便尽可能降低开关功率损耗
· 高热效率和快速dv/dt额定值，以便高效驱动电机负载入

使用栅极驱动器可以有效的控制MOSFET。此处应考虑选用双输出器件来控制高侧和低侧MOSFET输出配置。此外，还应选用具有闩锁保护并且具备超过MOSFET dv/dt时间的快速上升/下降时间的驱动器。市场上可以找到上升/下降时间小于10ns的驱动器。

请务必使用数字温度指示器来监测电机驱动电路是否过热。图5所示即为一种数字温度指示器及其电阻温度曲线。此类器件是一种聚合物温度指示器，当温度达到某一阈值时，其电阻值会改变108倍。当电阻升高时，即表示监控的电路温度升高，从而断开电机的供电；当温度下降到临界关断温度以下时，该元件将会复位，电机供电便可恢复。此外，这里也可以选用类似于推荐用于BMS电池保护模块的密封玻璃传感器的NTC温度传感器。

图5：热保护其的电阻温度曲线以及此类器件的图片

电机

作为最关键的驱动组件，电机应收到妥善保护，使其免受过热、转速过高和堵转的损坏。这些情况只需使用两个传感元件即可解决。其一是NTC温度传感器，用于监测电机温度。这里可以选用与监测电机驱动电路相同的产品。其二是霍尔传感器/开关，用于监测电机转速和转子位置。霍尔传感器具有可以输出电压或电流的版本，选用最适合您的设计的输出即可。应选用开关寿命较长的霍尔传感器/开关，以便尽可能提高可靠性。霍尔传感器开关可以实现高达200亿次的开关操作。

I/O通信接口

I/O通信接口使ECU能够与车辆传感和控制电路以及电池组状态线连接。这里可按照BMS中I/O通信接口的建议来选用TVS二极管阵列，从而保护该接口的数据线免受ESD和其他瞬态变化的影响。

ECU是电动车辆中最关键的系统。确保该系统得到适当保护至关重要。

车载充电机

车载充电机可将交流电转换为直流电，从而为电池组充电提供充电电压和电流。图6所示为组成车载充电机的电路，以及为各个电路推荐的保护、控制和传感元件。

图6：车载充电机的框图，图中表示了推荐的保护、控制和传感元件所在的电路

输入保护、整流和滤波

该电路与交流电源相连，因而会受到交流电源线上可能出现的过流状况和电压瞬变的影响。此处应使用延时熔断器来切断电流过载，为此需确保熔断器的额定电压高于线路电压。这里建议选用UL或CSA认可的熔断器元件，因为它需要连接到交流线路上。要实现汽车级的品质，还应考虑选用符合ISO 8820标准或通过AEC认证的熔断器。

交流线路瞬变可能具有很大的能量，在这些瞬变中能够安全吸收这些能量的元件应安装在电路的输入端。对于在电压瞬变过程中实现尽可能降低钳位电压的关键电路而言，可以考虑以串联的方式组合使用金属氧化物变阻器 (MOV) 和保护晶闸管。部分MOV产品可以吸收高达10kA的峰值电流，工作电压超过800VDC。它们还可以满足AEC-Q200无源元件的质量要求。双向保护晶闸管可以吸收高达3kA的浪涌电流，响应时间可达纳秒级。此处应使用通过AEC-Q101认证的晶闸管产品。与单独使用MOV相比，将MOV和晶闸管串联使用可以进一步降低钳位电压。

功率因数控制电路

功率因数控制电路通过减少输入电压以及从电源线获取的电流之间的相位差来提高充电机的效率，从而尽可能提高输送到设备的实际功率，并降低可能具有更高峰值电流消耗的视在功率。对于该电路，建议选用Rds(on)值低于500mΩ的低Rds(on) MOSFET，以减少开关和传导损耗。此外，还应采用TVS二极管来保护该电路不受自感电压瞬变（主动钳位）的影响，具体产品可选用推荐给BMS和ECU电路的TVS二极管的高压版本。

高频转换器和钳位电路

高频转换器和钳位电路可将交流正弦输入转换为高频方波因子。此处应使用MOSFET尽可能提高电路效率，以便产生方波信号。该电路应选用推荐用于功率因数控制电路的TVS二极管来加以保护。

输出整流和滤波电路

输出整流和滤波电路负责为电池组产生直流充电电压和电流。此处应选用快速恢复的高频开关整流二极管，以便尽可能减少电路中的开关损耗，同时应选用结温超过150°C的整流二极管，以便尽可能提高可靠性。

输出直流保护电路

输出直流保护电路用于将充电电压和电流连接到电池组上。此处应使用熔断器来保护电路，防止因电池组或下游元件或系统发生短路而导致过载。应选用与输入保护电路推荐的相同类型的熔断器。

I/O通信接口

此处与BMS和ECU一样，应使用与前文所述系统中的接口相同类型的TVS二极管阵列来保护I/O通信接口数据端口免受瞬态变化影响。瞬态保护有助于防止处理器因瞬态过载而出现灾难性故障。

输入保护和滤波

通过输入保护和滤波，可以对充电机的输出进行控制。该电路应使用TVS二极管进行保护。选用TVS二极管时，应注意以下特性：

· 30kV额定ESD电压，包括空气击穿放电和直接人体接触
· 1kA瞬态浪涌保护

此处应选用通过AEC-Q101认证的元件。如果PCB空间紧张，则可以选用节省空间的表面贴装产品。

二轮和三轮电动车的安全标准

请务必留意二轮和三轮电动车必须遵守的国家和国际安全标准，如表1所示。如果在设计过程的早期就解决标准的要求，就可以节省开发时间。务必确保设计定义中包含目标市场的安全标准。

表1：二轮和三轮电动车适用的国家和国际安全标准

设计受保护和高效电路的价值

通过使用推荐的保护、控制和传感元件，您可以实现市场所需的可靠性。您的设计将能抵御过流状况和瞬时过载；您可以运用制造商的应用专长来实现这些保护措施，并节省设计和开发时间。应用工程师可以帮助选择元件，并提供有关适用安全标准的合规性指导。