应用角：汽车 - 电动汽车电池断开系统

在电动和混合动力汽车中，需要一种方法将高压电池与车辆的其他部分断开连接。专门设计的大电流继电器(接触器)历来一直是执行此功能的首选方案。此继电器的设计必须支持在负载下断开连接，而不受损坏。这是通过使用带有真空封装触点的继电器来实现的。这些接触器通常充满惰性气体，包围触点以消除空气。通常，在高压电池系统中，需要三个接触器：一个用于两个主要电池导体，另一个更小的版本用于预充电功能。传统的电池断开电路图如图1所示。



电动汽车制造商长期以来一直希望有一种更小、更轻、更便宜的方案，以解决电池断开问题。功率半导体方案经常被用作替代接触器，并将生成一种紧凑的固态方案。对半导体电源开关设计提出的挑战也相当大。简单的直接交换每个继电器与适当的电源开关将不可行。由于电动汽车电池系统中的电流可以双向流动，所以电源开关必须能够双向传导和阻挡电流。当车辆处于静止状态(停放车辆)时，电池断态漏电流必须极低，以防止放电和潜在危险情况。此外，通过主要接触器的电流电平等于通过高压电池本身的电流电平。在车辆运行期间，需要较大加速度，电流电平将非常高，并将持续一段时间，这将给电源开关热管理系统带来重大挑战。典型的汽车电流电平与工作模式的关系如图2所示。


一个建议的电池断开系统方案如图3所示。它通过使用多个紧接的IGBT器件并联，解决了双向导电问题。这些器件必须具有合适的额定电流，并且必须有一个足够的散热系统来处理巨大的功率损耗。通过在负极导体中保持单个接触器来解决断态漏电流问题。这是完整的方案所需要的，以满足停放车辆电池漏电流规格。未来使用宽禁带(WBG)功率器件的应用可能是实施全固态方案的技术。


在新实现的48V轻型混合动力汽车中，也在发生类似的演进。它们主要由锂离子电池供电，有相同的要求，如高压电动汽车，虽然电流和电压电平差别很大。这里建议用MOSFET模块来解决这一问题。此外，以全固态方案取代预充电硬件，需要一些额外的控制电路，可对输出电容母线充电，使用开关模式技术。这些BDU系统的开发对电动汽车行业来说是全新的，要想成功，需要大量的专门设计和创新。