Наиболее агрессивным из этих всплесков является так называемый «импульс сброса нагрузки» (рис. 1). Этот переходный процесс возникает, когда двигатель работает, а провод аккумуляторной батареи отсоединен из-за плохого контакта или случайно, когда генератор заряжает аккумуляторную батарею. Величина этого переходного процесса зависит от скорости вращения генератора переменного тока и возбуждения поля в момент отключения. Всплеск может длиться несколько сотен миллисекунд и достигать уровней более 100 В, что потенциально смертельно для полупроводниковых цепей.

Рис. 1. Типичная форма выброса нагрузки-сброса: а) неподавленный; б) подавленный.

Пуск от внешнего источника, холодный пуск и реверс батареи

Еще одной опасностью является «двойное напряжение аккумулятора», которое может быть подано во время запуска от внешнего источника, т. е. при подключении соединительными кабелями к аккумулятору другого автомобиля с сетевой системой 24 В, так что в конечном итоге вы используете аккумулятор 24 В для запуска 12 В. система. Рассмотрим следующую ситуацию: вы прокручиваете двигатель, особенно в холодную погоду и с частично заряженным аккумулятором, а моторное масло стало очень густым. Для запуска двигателя требуется, чтобы стартер создавал больший крутящий момент, что, в свою очередь, требует большего тока от аккумулятора. Эта большая токовая нагрузка вызывает кратковременный «провал» напряжения питания, провал, который может понизить напряжение с номинальных 12 В до менее чем 5 В. Это снижение может длиться несколько десятков миллисекунд, что приводит к временной приостановке работы электронных систем (рис. 2). После запуска двигателя напряжение возвращается к номинальному значению.

Рис. 2. Типичная форма напряжения холодного пуска автомобиля.

Дополнительная опасность, которую должна выдерживать электроника автомобиля, связана с изменением полярности аккумулятора, что может произойти, если аккумулятор неправильно подключен к электрической системе (например, -14 В).

Защита от неправильных уровней мощности

Упомянутые выше помехи требуют защиты от неправильного напряжения. Анализ показывает, что импульс сброса нагрузки является наиболее энергоемким типом возмущения. Для защиты электронных модулей от разрушения этим импульсом сегодня используются две методики защиты:

• Ограничьте напряжение централизованно для всех модулей на генераторе автомобиля (центральное подавление сброса нагрузки, рис. 1b).
• Обеспечьте цепь защиты на каждом ECU.

Однако вторичное подавление по-прежнему требуется для защиты от других локально генерируемых импульсов с меньшей энергией, таких как короткие положительные и отрицательные переходные процессы и переполюсовки батареи. Эти импульсы обычно фильтруются на уровне платы только небольшими конденсаторами большой емкости, диодами обратной полярности или последовательными индуктивностями, усиленными диодом или варистором для подавления переходных напряжений (TVS).

Централизованное подавление сброса нагрузки обычно достигается за счет замыкания схем (диодов) внутри генератора. Этот подход предназначен для поглощения энергии сброса нагрузки и выдерживания полного пускового напряжения. Поэтому фиксирующее напряжение устанавливается выше, чем максимальное напряжение пуска от внешнего источника, которое может возникнуть. В этом случае напряжение транспортного средства все еще может достигать 36 В.

Электрические системы транспортных средств, которые не имеют централизованного подавления сброса нагрузки, должны иметь локальную защиту от этого импульса сброса нагрузки. Локальная защита обычно выполняется с помощью схемы защиты, встроенной в ЭБУ, сразу за клеммами разъема. Такая защита необходима во многих местах внутри автомобиля и, следовательно, требует большого количества компонентов с последующим влиянием на общий ток утечки и общую стоимость. Встроенная защита от сброса нагрузки обычно достигается с помощью TVS-диодов (аналогичных стабилитронам), варисторов и фильтров подавления, которые следует подключать к клеммам питания.

Ниже показаны различные примеры схем классической встроенной защиты.

Стандартные устройства подавления перенапряжения

Некоторые устройства могут ограничивать перенапряжение на уровне платы.

Диоды ТВС

(очень похожие на стабилитроны, рис. 3) используются в качестве фиксирующих устройств для подавления всех перенапряжений выше их напряжения пробоя. Их особенно высокая способность поглощать энергию защищает электронные схемы от скачков перенапряжения и сброса нагрузки. Эти диоды имеют очень быстрое время включения, но медленное время выключения. Лавинный диод может реагировать на перенапряжение быстрее, чем другие распространенные компоненты защиты от перенапряжения, такие как варисторы. Их производительность не ухудшается со сроком службы и количеством применяемых переходных процессов. При приближении к напряжению пробоя лавинно-гасящие диоды проявляют значительный ток утечки. Часто эти диоды обозначаются как Transil 9. 0059®, TransZorb ^® или просто TVS-диоды.

Рисунок 3. Характеристика ограничителя переходного напряжения (V _BR = напряжение пробоя, V _C = напряжение фиксации при пиковом импульсном токе, I _P ).

Варисторы

Варисторы — это резисторы, зависящие от напряжения (VDR). Это симметричные нелинейные резистивные элементы, сопротивление которых резко падает выше определенного напряжения (рис. 4). При фиксации как положительного, так и отрицательного напряжения их поведение аналогично двум встречно-параллельным стабилитронам. Они выдерживают высокие уровни тока и энергии из-за своего небольшого размера и стоимости, но они демонстрируют относительно высокий ток утечки, когда приложенное напряжение приближается к напряжению фиксации. Напряжение фиксации также значительно увеличивается с приложенным током. Варисторы ухудшаются из-за многократного воздействия скачков напряжения и, как правило, имеют более высокое «фиксирующее напряжение» и значительно более медленное время реакции по сравнению с диодами TVS.

Рис. 4. Типичная характеристика варистора (V _C = напряжение фиксации при пиковом импульсном токе, I _P ).

Дискретные схемы защиты

Простой и экономичный способ защиты чувствительных цепей состоит в параллельном подключении нагрузки с помощью зажима, такого как TVS-диод и конденсатор, которым предшествует предохранитель (рис. 5). Эта схема защищает ЭБУ от переходных перенапряжений и сброса напряжения нагрузки выше напряжения пробоя диода TVS (D1). При воздействии отрицательных переходных процессов высокой энергии или устойчивых обратных напряжений TVS смещается в прямом направлении, тем самым защищая нижестоящие схемы, ограничивая отрицательное напряжение его прямым напряжением смещения (например, -1 В). Повторяющиеся низкоэнергетические отрицательные переходные процессы, например, вызванные переключением реле или соленоида, фильтруются конденсатором (C _лоуЭ ). Если отрицательные или положительные перенапряжения сохраняются, предохранитель перегорает.

Рис. 5. Простая схема защиты от перенапряжения с использованием фильтрующего конденсатора, ограничительного диода и предохранителя.

Чтобы избежать замены предохранителя в блоке предохранителей автомобиля или в недоступном ЭБУ и обеспечить непрерывную работу ЭБУ, необходимо использовать другие методы, такие как дополнительная последовательная защита. Схема на Рисунке 6 защищает ЭБУ от переполюсовки батареи и переходных отрицательных напряжений (D2) и импульсных положительных перенапряжений (сброс нагрузки и переходные процессы низкой энергии), превышающих напряжение пробоя TVS-диода (D1). Обратите внимание, что для D2 вы должны выбрать пиковое обратное напряжение больше, чем максимально возможное отрицательное переходное состояние.

Рисунок 6. Заменив предохранитель, использованный на рисунке 5, на диод, эта схема обеспечивает защиту от перенапряжения. Он также защищает от отрицательных переходных процессов и обратного подключения батареи.

Из-за своих небольших размеров, низкой стоимости и высокой способности поглощать энергию варисторы часто выбирают для приложений, в которых пространство на плате имеет решающее значение, а последующие схемы имеют некоторую устойчивость к положительным и отрицательным перенапряжениям. Схема, показанная на рис. 7, защищает нижестоящую схему от импульсов перенапряжения (положительных и отрицательных переходных процессов), превышающих напряжение пробоя варистора. Конденсатор помогает фильтровать низкоэнергетические положительные и отрицательные переходные процессы.

Рис. 7. Если пространство на плате ограничено, варистор (в данном случае VDR) можно использовать вместо TVS-диода, если требуется защитить нижестоящую схему от импульсов перенапряжения (положительных и отрицательных переходных процессов), превышающих напряжение пробоя варистора. В этом случае нисходящие цепи должны иметь некоторую устойчивость к положительным и отрицательным перенапряжениям.

Преимущества и недостатки дискретных схем защиты

Все вышеперечисленные схемы имеют свои преимущества и недостатки. На рис. 5 показана простая схема защиты от переходных процессов, состоящая только из TVS, фильтрующего конденсатора и предохранителя. Однако эта схема имеет ряд недостатков. Диод TVS должен иметь напряжение пробоя, превышающее максимальное присутствующее стационарное напряжение, которое обычно представляет собой напряжение двойной батареи, приложенное во время запуска от внешнего источника (часто> 26 В, в течение более 1 минуты). Если используется неправильный диод TVS, TVS начинает работать при более низком напряжении и разрушается из-за возникающей мощности.

Поскольку ВАХ имеет заданный наклон выше напряжения пробоя, TVS-диоды имеют определенное внутреннее сопротивление, которое приводит к значительному увеличению фиксирующего напряжения при больших токах. Например, 28-вольтовый диод TVS (такой как SMBJ28) может допустить, чтобы нижестоящие цепи подвергались воздействию напряжения до 45 В во время сброса нагрузки. Таким образом, воздействие такого высокого напряжения требует использования нисходящих цепей, устойчивых к напряжению 45 В (рис. 3). Очевидно, что это требование усложняет выбор компонентов для последующих цепей ЭБУ, которые должны работать только до верхнего предела нормального диапазона рабочего напряжения автомобиля (обычно около 17 В). Наконец, полупроводники с более высоким напряжением и другие устройства больше и дороже, увеличивают стоимость ЭБУ и занимают ценное место на плате.

Чтобы сохранить максимально возможное перенапряжение на как можно более низком уровне, следует использовать TVS с напряжением пробоя как можно ближе к максимально возможному установившемуся напряжению (например, к напряжению пуска от внешнего источника). Этот выбор, в свою очередь, влияет на ток утечки при напряжениях, близких к напряжению пробоя, и даже при нормальном рабочем напряжении автомобиля (12 В). Такой ток утечки может затруднить для разработчика ЭБУ выполнение требований OEM (производителя оригинального оборудования) к низкому току покоя, когда двигатель автомобиля не работает.

При нормальной работе диод на рис. 6 (D2) имеет падение напряжения > 0,7 В, что является недостатком по двум причинам:

1. Падение напряжения означает некоторое рассеивание мощности.
2. Работа ЭБУ при низком напряжении становится более сложной.

Для сильноточных приложений, таких как антиблокировочная тормозная система автомобиля, потребляемый ток может легко превысить 10 А. Например, падение напряжения на диоде в 1 В в этой системе потребляет 10 Вт, что практически невозможно рассеять на ограниченной геометрии печатной платы. Использование одинарного или двойного диода Шоттки может решить эту проблему в некоторых приложениях. Если предположить, что падение напряжения составляет 0,5 В, рассеиваемая мощность двойного диода Шоттки составит 5 Вт при токе нагрузки 10 А. Однако это значение по-прежнему велико и может вынудить разработчика использовать большой радиатор.

Как упоминалось выше, падение напряжения на диоде само по себе может быть проблемой. Например, в аудиосистеме на 14,4 В вы максимизируете выходную мощность, максимизируя напряжение, доступное для возбуждения динамика. Таким образом, потеря 1 В в источнике питания из-за обратного диода батареи соответствует потере выходной мощности примерно 8,4 дБВт (для 2-омного динамика с мостовой связью).

Когда ECU должен работать до низкого уровня напряжения, который возникает при запуске автомобиля при низких температурах окружающей среды (рис. 2), потеря любого напряжения может быть критической. Во время холодного пуска входное напряжение 5,5 В и ниже является обычным явлением в спецификациях производителей автомобилей. Прямое падение напряжения на диоде с обратной батареей может потреблять драгоценный запас. Если, например, напряжение автомобильного аккумулятора упадет до 5,5 В на входном разъеме ECU, за вычетом падения на 0,7 В на диоде обратного аккумулятора, оставшееся напряжение для остальной части схемы составит всего 4,8 В.

Если микроконтроллер 5 В питается от линейного стабилизатора с падением напряжения 500 мВ, то микроконтроллер получает только 4,3 В, чего может быть недостаточно для его работы. Микроконтроллер может перейти в состояние сброса, потерять свою память или привести к временной приостановке работы всего ЭБУ. Одной из иллюстраций этой проблемы может служить навигационная система GPS: если вы вводите координаты пункта назначения перед запуском автомобиля, крайне важно, чтобы данные не были потеряны во время последующего холодного запуска.

Для приложений, включающих варисторы, как показано на рис. 7, пространство на печатной плате часто имеет решающее значение. Как и в случае TVS-диодов, напряжение фиксации варистора должно выбираться в соответствии с максимальным присутствующим установившимся напряжением постоянного тока. Однако ВАХ варистора выше его напряжения пробоя нарастает значительно медленнее, чем у TVS-диода (рис. 4). По этой причине варистор передает гораздо более высокие напряжения на последующие схемы, чем TVS-диод. Последующая схема должна быть спроектирована соответствующим образом, что может потребовать увеличения стоимости компонентов, размеров корпуса и занимаемого места на плате.

Сведение к минимуму перенапряжения путем установки напряжения ограничения на относительно низком уровне ухудшает ток покоя, потребляемый в нормальных условиях эксплуатации. Ток покоя при нормальном рабочем напряжении обычно выше, чем у сравнимого TVS-диода, но этот эффект зависит от выбранного компонента.

Альтернатива активной защиты от переходных процессов

Учитывая вышеупомянутые недостатки дискретных схем защиты, хорошей альтернативой может быть активная защита. Для приложений, требующих низкого тока покоя, работы при низком напряжении, защиты от переполюсовки батареи и перенапряжения, а также высокой эффективности, используйте схемы защиты от перенапряжения, такие как MAX16013/MAX16014 ¹  хороший выбор.

Принцип работы этих устройств достаточно прост (рис. 8). Эти микросхемы контролируют входные напряжения на шине питания и изолируют нагрузку от неисправности, управляя двумя внешними проходными переключателями pFET. Внешние полевые МОП-транзисторы включаются между 5,5 В и установленной верхней шиной, регулируемой резистором-делителем на выводе SET до значения (обычно) между 20 В и 28 В.

Рис. 8. MAX16013 и MAX16014 обеспечивают активную защиту от переходных процессов, контролируя входные напряжения на шине питания. Когда они обнаруживают неисправность, они изолируют нагрузку от неисправности, управляя двумя внешними проходными ключами p-канального полевого транзистора.

В условиях отказа полевой транзистор P2 может вести себя двумя разными способами. В первом режиме P2 — это просто переключатель, который выключается до тех пор, пока сохраняется состояние перенапряжения, тем самым предотвращая повреждение устройств, расположенных ниже по потоку, высоким напряжением. Во втором режиме P2 действует как регулируемый ограничитель переходных процессов, который регулирует выходное напряжение до максимально допустимого перенапряжения.

Когда выходное напряжение поднимается выше настроенного порога перенапряжения, внутренний компаратор переводит GATE2 в состояние V _СС . Когда контролируемое напряжение падает ниже порога перенапряжения, p-канальный МОП-транзистор (P2) снова включается. Этот процесс продолжает удерживать напряжение на выходе в диапазоне примерно 5%. Выходное напряжение регулируется при переходных процессах перенапряжения; МОП-транзистор (P2) продолжает работать во время перенапряжения, работая в коммутируемом линейном режиме и, таким образом, обеспечивая непрерывную работу и обеспечивая защиту от перенапряжения.

Выбор режима работы осуществляется подключением резистора-делителя на выводе SET либо к входу, либо к выходу. Например, MAX16013 сконфигурирован как устройство отключения при перенапряжении путем подключения резистивного делителя к V _CC вместо нагрузки. Однако MAX16014 удерживает МОП-транзистор (P2) в закрытом состоянии до тех пор, пока входная мощность не будет циклически включена или EN не переключится. Работа MAX16013 в режиме ограничения напряжения в течение длительного времени увеличивает рассеиваемую мощность на внешних МОП-транзисторах из-за падения напряжения на них.

Полевой транзистор с обратной батареей (P1, опционально) на Рисунке 8 заменяет последовательный диод, предложенный на Рисунке 6. На Рисунке 8 P1 включается в условиях прямого смещения для минимизации прямого падения напряжения; он выключается при отрицательном напряжении. Вывод EN обеспечивает управление отключением путем отключения P2 и отключения входа от выхода (рис. 8 и 9).). (Примечание: сигнал на вывод EN может генерироваться другими контролирующими цепями в хост-системе.) Таким образом, ток покоя в нижестоящих цепях снижается до минимума (типичное значение < 20 мкА), в то время как схема поддерживает защиту от переполюсовки батареи ( П1).

Активные высоковольтные устройства защиты от переходных процессов предлагают преимущества по сравнению с традиционным подходом

Активные устройства защиты от перенапряжения обладают рядом преимуществ.

Как отмечалось выше, дискретный ограничитель переходных процессов (диод TVS или варистор) должен иметь напряжение пробоя выше, чем самое высокое установившееся напряжение в автомобиле (обычно около 26 В). Во время события сброса нагрузки нижестоящая схема временно видит гораздо более высокое напряжение (примерно 45 В) из-за внутреннего сопротивления и характеристик повышения VI TVS. Поэтому необходимо выбирать последующие устройства, способные выдерживать более высокие напряжения. В отличие от этого традиционного подхода активная защита от переходных процессов ограничивает выходное напряжение до уровня, установленного резисторным делителем (например, 26 В), и не имеет нарастающей характеристики. Эти функции позволяют использовать более дешевые (более низкое напряжение) последующие компоненты.

В отличие от обычных ограничителей перенапряжения, которые могут выдерживать всего несколько джоулей в течение коротких периодов времени до перегрева, решение на основе MAX16013/MAX16014 защищает от перенапряжения постоянного тока. Некоторым приложениям необходимо работать только до верхней границы диапазона нормального рабочего напряжения, а затем отключаться. (Например, аудиосистема может работать только при напряжении до 17 В.) Использование в этом случае активной защиты и установка порога ограничителя/переключателя напряжения на этот уровень может еще больше снизить стоимость последующих компонентов.

Замена стандартного диода обратной батареи полевым транзистором может снизить падение напряжения при прямом смещении до уровня милливольт. Эта замена, особенно в сильноточных приложениях, может уменьшить рассеиваемую мощность, что, в свою очередь, снижает затраты на охлаждение и экономит средства. Более того, мощность (напряжение), которая в противном случае была бы потеряна в диоде, подается на нагрузку (например, на динамик). Таким образом может быть достигнута повышенная выходная мощность (производительность). Некоторые приложения должны работать при низком напряжении батареи (например, при холодном запуске автомобиля) и при этом поддерживать защиту от переполюсовки батареи. Минимизация падения напряжения с помощью активной защиты может иметь важное значение для поддержания работы схем при низких входных напряжениях.

Варисторы, как правило, имеют относительно высокий ток покоя или ток утечки, а их срок службы и точность значительно ухудшаются из-за импульсного воздействия. Замена варистора активным предохранителем устраняет эту проблему. Некоторые приложения имеют высокий ток покоя из-за токов утечки в устройствах, подключенных к шине батареи. В этих случаях активный предохранитель может служить главным выключателем, отключающим (с помощью полевого транзистора P2) все последующие нагрузки в спящем режиме (рис. 9).

Рис. 9. MAX16013/MAX16014 используются в качестве главного выключателя для снижения потребления тока покоя, если ЭБУ находится в режиме ВЫКЛ.

Резюме

Использование активных устройств защиты от перенапряжения может быть преимуществом в некоторых приложениях. Эти устройства предлагают значительные преимущества в снижении рассеиваемой мощности, приросте выходной мощности (производительности), работе при низком напряжении (холодный пуск), более низком токе покоя и более низкой стоимости схем, расположенных ниже по потоку.

¹ Сопутствующие детали: MAX6397/MAX6398/MAX6399, MAX6495–MAX6499.

Аналогичная статья была опубликована в феврале 2008 г. в выпуске Auto Electronics Magazine , издательства Penton.

Советы по проектированию для защиты от высокого напряжения в электромобилях и гибридах

Михаэль Циммерманн, Littelfuse, Inc.

Автомобильный аккумулятор на 12 В может стать пережитком прошлого, поскольку электромобили (EV) и гибридные автомобили завоевывают рынок. В электромобилях и гибридных транспортных средствах используются аккумуляторные батареи напряжением не менее 500 В, а некоторые достигают 1000 В. Для эффективного питания электродвигателей требуется более высокое напряжение. Однако потенциальная опасность для пассажиров транспортного средства или для любого, кто соприкасается с транспортным средством, более значительна при наличии высокого напряжения.

Высокая реакционная способность металлического лития привлекла большое внимание к безопасности аккумуляторов. Система управления батареями (BMS) необходима для безопасной эксплуатации литий-ионной батареи. BMS отслеживает, по крайней мере, состояние напряжения и температуры каждой ячейки и контролирует уравнительные токи, гарантируя, что все ячейки батареи, соединенные последовательно, имеют одинаковое напряжение. Высокоразвитые системы также позволяют осуществлять непрерывный мониторинг состояния заряда отдельных элементов посредством постоянного анализа потока энергии во время зарядки и разрядки. В частности, высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы изначально могут иметь высокие токи короткого замыкания, поскольку они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Предполагаемый (не затронутый) ток короткого замыкания литий-ионных аккумуляторов в несколько раз (примерно в 5-10 раз) больше, чем у других аккумуляторов, например, свинцово-кислотных аккумуляторов. Высокое значение также заставляет величину тока короткого замыкания расти намного быстрее, чем в обычных батареях, потому что электрические постоянные времени примерно одинаковы – в диапазоне миллисекунд.

Чтобы обезопасить людей от короткого замыкания и высокого напряжения в электромобиле или гибридном транспортном средстве, основными требованиями являются отключение источников энергии высокого напряжения от всех нагрузок и разрядка любого накопленного высокого напряжения. Конструкторы могут спроектировать свои схемы так, чтобы они выполняли три действия, которые защитят людей от энергии, которая может привести к короткому замыканию на корпус автомобиля из-за неисправности цепи нагрузки:

Отключите аккумулятор от цепей нагрузки, чтобы обесточить их.
Обеспечьте метод высокоскоростного отключения для батареи, которая активируется в случае катастрофического сбоя, такого как жесткое короткое замыкание батареи.
Разрядите высоковольтные конденсаторы и связанные с ними системы под напряжением, чтобы обеспечить безопасный разряд напряжения.

Во многих случаях автоматические выключатели с магнитным или тепловым обнаружением перегрузки по току работают слишком медленно. Отключение происходит только после того, как уже протекает большой ток разряда батареи, а автоматический выключатель перегружен и может быть поврежден высокой энергией.

Предохранители постоянного тока могут служить защитой от короткого замыкания, но должны быть заменены после обнаружения источника короткого замыкания. Во многих случаях длительное время замены нецелесообразно, а конструкция предохранителя сложна. Тем не менее, предохранители являются наиболее надежным способом предотвращения катастрофических отказов и обеспечения более высокого уровня безопасности. Такие компании, как Littelfuse, предлагают инженерную поддержку и широкий ассортимент предохранителей для напряжений от 500 до 1000 В. Например, патронные предохранители Littelfuse 828 и полупроводниковые предохранители EV1K могут выдерживать напряжение до 1000 В9.0004

В принципе, многие силовые электронные компоненты достаточно быстро отключают ток до того, как он достигнет критически высокого значения в случае короткого замыкания. Однако эти компоненты имеют сравнительно небольшое значение I²t. (В качестве краткого обзора, I²t является выражением доступной тепловой энергии, возникающей в результате протекания тока.) Практически невозможно реализовать избирательное устранение короткого замыкания в сети постоянного тока с устройствами, имеющими маленькое значение I²t.

Прерывание больших токов постоянного тока — в любом случае непростое — приобрело новый смысл с появлением мощных литий-ионных аккумуляторов. Обычные защитные устройства постоянного тока здесь обычно не работают. Автомобильные стандарты требуют, чтобы схемы электромобилей и гибридных транспортных средств предотвращали повреждение аккумуляторной батареи автомобиля и его элементов управления.

Кроме того, инженеры-электронщики понимают, что их конструкции должны защищать людей в случае аварии. Любая авария может привести к повреждению электроники автомобиля. Например, непреднамеренное соединение между шиной высоковольтной батареи и металлическим корпусом автомобиля может привести к смертельному поражению электрическим током. Здесь рискуют оказаться в опасности лица, оказывающие первую помощь, а также пассажиры транспортных средств.

Такие сценарии показывают, почему необходимо отключать аккумулятор от цепей нагрузки при катастрофическом отказе. Предвидя такие условия, проектировщики должны предусмотреть в мощных цепях встроенную быструю защиту от перегрузок. Аккумулятор может почти мгновенно выдать до 30 кА при коротком замыкании. Высоковольтные предохранители имеют номинальный ток прерывания менее 30 кА и время размыкания до 50 мс. Следовательно, они не могут открыться достаточно быстро, чтобы предотвратить резкое повышение тока и защитить от потенциально непоправимого ущерба. Блок распределения батарей нуждается в лучшем решении, которое представляет собой пировыключатель.

Обрыв высокоскоростной цепи

Пировыключатель — это защитный компонент, способный отключать ток силой 30 кА от источника высокого напряжения менее чем за 1 мс. Датчик тока обнаруживает перегрузку по току и срабатывает пировыключателем, чтобы разорвать шинное соединение в линии питания батареи. Сигнал детектора тока активирует воспламенитель, который производит газ под высоким давлением, который перемещает поршень вниз по шине. Давление газа достаточно велико, чтобы заставить поршень пробить отверстие в шине. Диаметр отверстия достаточен для того, чтобы дуга, вызванная обрывом шины, гасилась.

В блоке распределения батарей контакторы подключают и отключают батарею во время нормальной работы. Пировыключатель и датчик тока расположены рядом с аккумуляторной батареей, чтобы обнаруживать перегрузку по току и разрывать линию питания шин в случае катастрофического отказа. Нагрузки имеют индивидуальные контакторы и предохранители для управления и защиты от перегрузки по току. Разрядная цепь снимает напряжение с высоковольтных конденсаторов в электронных подсистемах. При выборе пировыключателя и датчика тока рассмотрите возможность выбора пары с:

Номинальное напряжение выше, чем напряжение аккумуляторной батареи
Модульный блок, содержащий датчик тока и схему контроллера для экономии места и экономии
Внутреннее сопротивление менее 100 мкОм для минимизации энергопотребления при обычной работе
Опция включения предохранитель в сборе для защиты нагрузки от незначительных сбоев тока перегрузки
Интерфейс CAN-Bus для передачи информации о состоянии аккумуляторной батареи

Для большей защиты разработчики могут добавить предохранители в распределительную цепь батареи. Предохранители могут защитить от сверхтоков при перегрузках, не приводящих к катастрофическим броскам тока. Предохранители также могут защитить жгуты проводов электромобиля и зарядный кабель. Предохранители, используемые в этой цепи, должны иметь номиналы, превышающие напряжение батареи. Рассмотрите возможность использования предохранителей, которые имеют:

Номинальное напряжение 500 В или, при необходимости, 1000 В
Номинальное значение прерывания не менее 10 кА при 1000 В для предохранителей с более низким номиналом до 30 А
Номинальное значение прерывания до 30 кА для предохранителей более высокого номинала
Номинальное сопротивление ниже 10 мОм
Не менее 500 % открытия ворот, в зависимости от требований защиты.

Конденсаторы фильтра на аккумуляторе будут заряжаться до напряжения аккумуляторного блока. Авария и отсоединение заряженных конденсаторов от основной батареи все еще может вызвать высокое напряжение в системе. Поэтому разработчики должны предусмотреть средства разрядки этих конденсаторов. Цепь разрядного переключателя должна выдерживать высокие токи нагрузки и случайные перегрузки. Функция разрядки должна оставаться работоспособной в широком диапазоне условий окружающей среды в течение всего срока службы автомобиля. Кроме того, функция разряда должна активироваться с помощью простого сигнала управления триггером.

Рассмотрите возможность использования тиристорно-резисторной схемы разрядки высоковольтных конденсаторов. Значения резисторов должны быть такими, чтобы они контролировали пиковый ток разряда и имели низкую постоянную времени RC для быстрого времени разряда.

Тиристоры могут обеспечить высокую импульсную способность, превосходное рассеивание тепла и лучшую механическую прочность, чем MOSFET или IGBT. Кроме того, тиристоры имеют режим отказа, при котором они замыкаются накоротко при определенных условиях перенапряжения, позволяя конденсатору разряжаться, даже если тиристор вышел из строя.