Die Stromverteilung in Batteriemanagementsystemen (BMS) für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und Elektrofahrzeuge (EV) versorgt die Kernfunktionen des Fahrzeugs mit Strom und bietet zugleich Mechanismen zur sicheren Trennung von Hochspannungs- oder Hochstromereignissen. Zwei Kernkomponenten des Stromverteilungssystems, Hochspannungsrelais und Trennsicherungen, stehen vor immer gr??eren Designherausforderungen aufgrund der steigenden Anforderungen an die Unterstützung h?herer Spannungen, Str?me, Wirkungsgrade und Zuverl?ssigkeit. Abbildung 1 zeigt einen überblick über die Hochspannungsrelais und Trennsicherungen.

Die nicht rückstellbare Batterietrennsicherung wird in Notfallszenarien aktiviert, um die Verbindung zwischen der Batterie und dem Rest des Fahrzeugs zu unterbrechen. Hochspannungsrelais, auch bekannt als Schütze, verbinden und trennen w?hrend des normalen Betriebs Versorgungsleitungen in einem HEV oder EV. In diesem Artikel bespreche ich die kommenden Technologien im Bereich Schütze und Trennsicherungstreiber, die BMS intelligenter, sicherer und effizienter machen.

Erm?glichung eines schnellen und zuverl?ssigen Batterietrennsystems

Im Falle eines Zusammensto?es muss die Stromversorgung nachgelagerter Systeme abgeschaltet werden, um weitere Komplikationen oder Sch?den zu vermeiden. Die beiden g?ngigen L?sungen sind heute Schmelzsicherungen und Pyro-Sicherungen. Schmelzsicherungen werden je nach den thermischen Bedingungen eines überstromereignisses ausgel?st, und diese Sicherungen sind werkseitig voreingestellt. Pyro-Sicherungen erfordern einen elektronischen Treiber, der ein Signal sendet, um die Verbindung zu unterbrechen. Sie werden haupts?chlich von diskreten Schaltkreisen oder ?lteren Airbag-Squib-Treibern angesteuert. Da HEV- und EV-Systeme immer leistungsst?rker werden, bieten Pyro-Sicherungen h?here Zuverl?ssigkeit und schnellere Bereitstellung. G?ngige L?sungen zur Ansteuerung dieser Pyro-Sicherungen werden jedoch schnell komplex, wenn es um schnelle Reaktionszeiten geht. Durch die Anforderungen der International Organization for Standardization (ISO), ISO26262 werden diese Designs immer komplexer.

Um eine schnellere Reaktionszeit zu erzielen, ist im Pyro-Sicherungstreiber DRV3901-Q1 eine direkte 2-polige Hardwareschnittstelle implementiert, die die serielle Peripherieschnittstelle (SPI) umgehen kann. Der Treiber DRV3901–Q1 kann für eine noch schnellere Bereitstellung mit einem Spannungs-, Strom- und Widerstandssensor (UIR) gekoppelt werden. Ein UIR-Sensor, wie der Baustein BQ79731-Q1, kann über die Hardware-Pins direkt mit dem Treiber DRV3901-Q1 kommunizieren und macht so eine MCU überflüssigen.

Eine der wichtigsten Funktionen für die Pyro-Sicherung ist das Trennen der Batterie vom Rest des Systems im Falle eines Absturzes oder eines anderen kritischen Ausfalls. Systementwickler müssen sicherstellen, dass die Pyro-Sicherungsfunktion für eine zuverl?ssige Aktivierung verfügbar ist. Die integrierten Diagnosefunktionen der DRV3901-Q1-Bausteine überwachen den Treiberstatus, den Zustand der Pyro-Sicherung und die Verfügbarkeit der Backup-Stromversorgung. Zur überwachung der Verfügbarkeit der Backup-Stromversorgung wird der Reservoirkondensator gemessen. Dieser Kondensator dient als Backup-Stromquelle für das Pyro-Sicherungssystem, wenn die Hauptversorgung der Batterie nicht mehr verfügbar ist. Durch regelm??ige überprüfung der Entladespannung dieses Kondensators k?nnen der DRV3901-Q1-Treiber und die MCU einen Ausfall dieser Backup-Stromversorgung erkennen, bevor er ben?tigt wird, und das Fahrzeug alarmieren.

Es ist wichtig, dass die Sicherung bei Bedarf ausgel?st wird. Ebenso wichtig ist aber auch, dass sie keine Fehlzündung ausl?st. Der Treiber DRV3901-Q1 verfügt über eine integrierte Sicherheitsdiagnose, um ein unbeabsichtigtes Ausl?sen von Pyro-Sicherungssystemen zu verhindern. Dies wird durch verschiedene Funktionen erreicht, einschlie?lich separater High-Side- und Low-Side-Treiber, redundanter Pins für die direkte Hardwarebeschaltung und Schutz durch zyklische Redundanzprüfung (CRC) an der seriellen Peripherieschnittstelle.

Verbesserung der Energieverteilung im gesamten Fahrzeug

Die gebr?uchlichsten Anschlüsse in den Stromversorgungsleitungen eines HEV oder EV sind die Hauptschütze, die das Hochspannungsbatteriesystem mit dem Traktionswechselrichter verbinden. Es k?nnen auch andere Stromschienen vorhanden sein, z. B. AC/DC-Ladeschütze, die den Anschluss einer Ladestation an die Batterie bilden, und Hilfsschütze, die andere elektrische Verbraucher wie Innenleuchten oder Heizungen verbinden.

Ein Schütz ist ein Niederspannungs-Magnetventil, das einen mechanischen Relaisschalter steuert, der hohen Strom bei hoher Spannung liefern kann. Schütze in HEV- und EV-Fahrzeugen entwickeln sich weiter, um Systeme mit h?herer Leistung zu handhaben. Das Niederspannungs-Magnetventilelement des Schütz wird oft von einem Steuerkreis, einem sogenannten Economizer, angetrieben. Die Economizer-Schaltung ist immer wichtiger und komplexer geworden, um h?here Anforderungen an Effizienz, Zuverl?ssigkeit und Sicherheit zu erfüllen und zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Hochleistungsbedingungen beizutragen. Diese Schaltkreise tragen zur Reduzierung des Stromverbrauchs bei, der erforderlich ist, um das Schütz geschlossen zu halten. Dieser Economizer kann entweder direkt in das Schütz integriert oder extern hinzugefügt werden. Schütze, die einen externen Economizer ben?tigen, k?nnen schnell komplex werden, wenn Sicherheitsziele auf Systemebene erreicht werden sollen.

Ein vollst?ndig integrierter Hochleistungs-Schütztreiber, wie der Treiber DRV3946-Q1, kann komplexe Economizer-Designs ersetzen. Der Treiber DRV3946-Q1 erm?glicht ein effizientes Ein- und sicheres Ausschalten des Schützs. Um ein effizienteres Einschalten zu erreichen, verfügt der Treiber DRV3946-Q1 über eine programmierbare Spitzen- und Haltestromregelung. Abbildung 2 zeigt diese Funktion in Aktion. W?hrend des Starts kann mehr Strom bereitgestellt werden, um den ersten Anschluss herzustellen. Nachdem die Verbindung hergestellt wurde, kann der Strom in der Phase ?Halten“ auf einen niedrigeren Pegel reduziert werden. Die M?glichkeit, die integrierten Spitzen- und Haltephasen zu programmieren, erm?glicht ein stabileres und effizienteres Drehen des Schütz.

Das Ausschalten des Schütz ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Die F?higkeit, ein Schütz schnell zu trennen, verhindert Kontaktschwei?en und bietet eine erste Abwehrlinie für die übrigen Fahrzeugsysteme, wenn etwas schief geht. G?ngige L?sungen zur Implementierung von Spitzen- und Haltestromregelung mit schneller Entladung führen zu komplexen Schaltungen. Der DRV3946-Q1-2-Treiber kombiniert diese beiden Funktionen in einem einzigen Chip, um die Systemkomplexit?t zu reduzieren sowie die Effizienz und Sicherheit zu verbessern.

Fazit

Die Verbesserung der Effizienz und Zuverl?ssigkeit des Schütz tr?gt dazu bei, die Fahrleistung zu erh?hen und die Sicherheit im t?glichen Betrieb von HEVs und EVS zu erh?hen. Die Integration des Treibers mit Pyro-Sicherung in einer ein-Chip-L?sung erm?glicht intelligentere und schnellere Entscheidungen darüber, wann die Batterieverbindung unterbrochen werden soll. Der DRV3901-Q1-Pyro-Sicherungstreiber und der DRV3946-Q1-Schütztreiber bieten Systemdesignern die M?glichkeit, intelligentere und sicherere Fahrzeuge zu entwickeln.

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