随着人们环保意识的加强，各国也越来越重视新能源汽车的发展，而新能源汽车也成为了未来汽车发展的趋势。研究机构EVTank联合中国电池产业研究院共同发布了《中国新能源汽车行业发展白皮书（2021年）》，白皮书数据显示，2020年，中国新能源汽车销量达到130万辆，白皮书也对2025年中国新能源汽车的销量估计有望达到530万辆。
而作为新能源汽车三大核心部件（如图1）之一的电池管理系统BMS，其负责电池组日常安全管理，保证动力电池系统安全稳定运行。所以对驾驶者和乘客的安全性尤为重要。
图1 新能源汽车三大核心部件
电池管理系统原理
电池管理系统（BMS），即Battery Management System，通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。
如下图2，为BMS电器架构，每个功能模块间通讯由CAN总线来实现。而CAN作为每个模块之间的连接端口，其通讯线长度短则几十厘米，长则十几米。而对于整个BMS系统，由于其复杂的电子及电池系统，在汽车启动及运行中都极易引起ESD等脉冲的干扰，这些干扰皆可能对信号线或电源造成影响。其后果轻则可能造成操作汽车的响应延迟，重则可能令操作中断或失效，造成车祸事故。所以BMS系统的ESD防护尤其重要。
图2 BMS电器架构
可行性ESD防护方案
晶焱科技多年来一直致力于研发ESD防护技术，拥有先进的ESD防护设计技术。在通讯线CAN信号防护上，我司拥有通过AEC-Q101认证成熟的车规级TVS，常用型号AZ9424-02S为SOT23-3L封装，可同时防护CAN_H/L两条信号线。而针对2016发布的ISO11898-2标准的高速CAN FD功能，为满足保证其5M/bps通信速率的信号完整性，我司专门开发出AZ9427-02S型号，其寄生电容低至3.6pF。另外，两个TVS均拥有极低的ESD钳制电压，使得ESD的能量能钳制在更低的电压以防止系统内部电路或IC受到干扰而失效，此钳制电压是判断保护元件对于系统电路保护效能最重要的参数，在我司2020年7月9日发布的技术文章《TVS最重要的参数-钳制电压(Clamping Voltage)》有详细讲述钳制电压的重要性。如下图3，是使用专业TLP设备分别量测以上两个型号的ESD电流对电压的IV曲线图。在IEC 61000-4-2标准8kV（对应TLP电流16A）ESD冲击下，TVS分别可以坩制在31V和39V的极低水平。
AZ9424-02S
AZ9427-02S
图3 TLP IV曲线图
为保证主从控制器在数据采集和传输过程中，避免与其他电子单元相互干扰或受异常能量耦合而造成信号质量下降，除了基本电气性能试验须满足外，电磁兼容试验更是应该严格检测并且依据实际产品应用环境不同而调整测试的等级。国家建议标准GBT 38661-2020 电动汽车用电池管理系统技术条件中有列出电磁兼容测试项目。而车企可按自身性能要求而自定义试验电压的协议值。如某车企设定ESD测试标准协议值为接触8kV/空气16kV，Class B，考虑提高产品性能及质量，比标准高出1kV余量，而Tier1或OEM厂商则会按照此标准严重执行，甚至更高，所以选用优秀规格的保护器件TVS尤其重要。图4列出国家建议标准的参考测试部分项目。
| GB/T 38661-2020 试验与参考标准 | ||||||||
沿电源线的电瞬态传导抗扰度 GB/T 21437.2-2008(ISO 7637-2:2004) | 等級 IV | 1 | 2a | 2b | 3a | 3b | 4 | 5 |
12V 系統 | -100V | +50V | +10V | -150V | +100V | -7V | +87V | |
24V 系統 | -600V | +50V | +20V | -200V | +200V | -16V | +173V | |
◎ GB/T 21437.2-2008 表A.1 _ 12V系統 & 表A.2 _ 24V系統 | ||||||||
耦合电瞬态发射抗扰度 GB/T 21437.3-2012(ISO 7637-3:2007) | 等級 IV | 快 a | 快 b | DCC 慢+ | DCC 慢- | ICC 慢+ | ICC 慢- | |
| 12V 系統 | -60V | +40V | +30V | -30V | +6V | -6V | ||
| 24V 系統 | -80V | +80V | +45V | -45V | +10V | -10V | ||
| ◎ GB/T 21437.3-2012 表B.1 _ 12V系統 & 表B.2 _ 24V系統 | ||||||||
电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验 GB/T 17626.4-2018(IEC 61000-4-2:2012) | 电源端口或接地端口(PE)：level 4：4kV，重复频率5或100kHZ | |||||||
信號埠或控制埠：level 4：2kV，重複頻率5或100kHZ | ||||||||
静电放电抗扰度 GB/T 19951-2005(ISO 10605:2001)) | ◎Power-off mode ; Contact ±6kV / Air ±15kV ; Interval 5s, 3 times ◎Power-on mode ; Contact ±7kV / Air ±14kV ; Interval 5s, 3 times | |||||||
辐射发射和传导发射 GB/T 18655-2018(CISPR 25:2016) | ◎ 6.2.3零部件/模块的传导骚扰限值-电压法 ◎ 等级3 : 传导骚扰准峰值或峰值限值-电压法 ◎ 等级3 : 传导骚扰平均值限值-电压法 | |||||||
图4 EMC试验与参考标准
耦合电瞬态发射抗扰度试验是参照GB/T 21437.3-2012方法进行，其中快a和快b是参照GB/T 21437.2-2008的3a与3b脉冲标准，其试验时间长达１小时。对此晶焱科技提供AZ9424-02S除了高效的ESD防护能力外，同时具有特定电瞬态传导抗打击能力。在图5与图6分别显示AZ9424-02S在第三方实验室的ISO 7637单体实验结果，在DCC (Direct Capacitive Coupling, 直接电容耦合)模式下可通过Fast Pulse 3a&3b达±200V，且此规格为GB/T 38661的最高建议标准。
图5
图6
另外对于各控制板或板内采样模块的通讯接口，其也包含电源线和各种串行或并行通讯接口。防止电子系统自身电压波动造成异常能量的耦合破坏现象，我司亦有推出相应ESD保护方案。图7为对应的电源端或信号端的保护器件TVS，均通过AEC-Q101认证。晶焱科技先进的半导体设计技术，不断改善和精细化各项参数，将钳制电压设计在合理的最佳水平。
图7
参考资料：
【1】《中国新能源汽车行业发展白皮书（2021年）》; https://max.book118.com/html/2021/0314/6104130154003120.shtm
【2】《GBT 38661-2020 电动汽车用电池管理系统技术条件》; https://blog.csdn.net/qfmzhu/article/details/105656764
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