Toshiba高电压车载光继电器和光耦于BMS应用

       BMS电池系统主要是为了智能化管理及维护各个电池单元,防止电池出现过充电和过放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。BMS的主要功能划分为电池状态分析、电池能量管理、电池安全保护、通信和故障诊断等等。电池平衡功能对于电动汽车(EV)的电池管理系统非常重要,因为它可以增加车辆的行驶里程,并确保电动汽车的电池运行安全。另外,电池平衡功能还被用以修正电池自身存在的不平衡问题。由于制造过程或运行条件中存在不匹配问题,因此在使用一段时间后,所有电池(包括电动汽车中的电池)都会出现不平衡问题,进而导致各电池单元不同程度的老化。即使其他电池单元仍有许多电量剩余,整个电池组也只能在其最弱的电池单元完全放电之后才能充电。因此,对各电池单元进行平衡可以更大限度地提高电池组的容量,并确保其中所有能量均可利用,从而提高电池寿命。将这种技术用于电动汽车电池,可以增加行驶里程。除了更大限度提高电池容量外,电池平衡功能还可防止电池单元过度充电和过度放电(二者都会导致电池加速衰减,并造成运行场景存在潜在危险),从而确保电池安全运行。

       BMS一般由传感器(用于测量电压、电流和温度等)、控制单元和输入输出接口组成。BMS基础功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的电池容量(SOC)和相应的剩余行驶里程,进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象。在BMS中, 想要更大限度地利用电池存储能力和循环寿命。那么可以选择基于继电器开关的电压检测是常见的方案之一, 其原理就是利用继电器开关实现对各个单体电池选统, 然后将被选通的电池的电压通过隔离运算放大器送入A/D转换器,通过轮询,依次实现对各个电池电压的采集, 检测,因此, 具有光电隔离的光耦继电器,可以更好地实现巡检的功能。

       选用光耦继电器开关的电压检测, 解决了串联电池组电压测量中数字信号的隔离和电压信号浮地等问题, 有效地对抗外来干扰。 此外,当外部输入由于误操作等原因接入瞬间高压或大电流时, 它还可以保护MCU和其他硬件电路免受损坏。电气系统一直是汽车安全中比较敏感的单元,很多常见小问题均因电气系统的可靠性不能满足而产生。对于电动汽车而言,由于涵盖了更多的功能单位,包括牵引逆变器、温度控制和加热系统以及车载充电器,这些系统在完全不同的电压水平下运行,因此必须进行电气隔离(Galvanic isolation)。从过往经验来看,用于数据传输的电气隔离是通过光学技术借助LED源和光电二极管接收器实现的。但是,在以电动汽车为代表的汽车市场需求的刺激下,光耦合器成为了实现电气隔离的首选器件。作为使用光媒介从而达到隔离作用的器件,光耦合器的应用极大保障了新能源汽车电气系统的安全可靠。光耦合器作为一种比较常见的隔离控制器件,将发光元件和光敏元件封装于同一壳体中确保了不受外界干扰。光耦合器的主要优点是单向传输信号,通过电→光→电的传输方式实现了信号的平稳传递,同时器件的输入侧与输出侧完全实现了电气隔离,具备抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高等优势。

        车规级光继电器,其主要应用方向不仅包括了电动汽车/混合电动汽车上的电池管理系统(BMS),同时还能够应用于车联网领域,实现对车辆远程控制与远程读取信息等功能。能够符合远比消费级芯片严格的AEC-Q101测试要求,凭借超长的寿命、优越的可靠性以及低功耗特性。相比于传统的机械式继电器,光继电器在多个方面具有明显的技术优势。首先是继电器的寿命,通过光敏二极管阵列接受LED光线,并产生电压驱动MOSFET进行工作,由于没有机械触点,无需担忧机械磨损的同时,也不存在由反电动势或回跳引起的噪声,极大地延长了器件的使用寿命。此外,采用了新的大功率红外LED MQW结构,在连续工作10万小时后,新型LED的输出光量衰减率远远低于传统LED的衰减率。这意味着相比于传统的光继电器,采用新型MQW结构的寿命和稳定性会更加优越。在电路尺寸方面,超小型的封装尺寸意味最终产品的高度/厚度减小,能够提高电路板设计灵活性。由于输入侧的LED是由电流驱动的,输出端导通所需输入电流不超过15mA,因此用户可以使用MCU的引脚直接驱动光继电器。相比之下,普通机械式继电器所需驱动电流更大。在大部分情况下,用户需要另外增加一个晶体管以提高MCU的驱动能力。因此,在低功耗场景下,光继电器更有优势。

       光继电器属于固态继电器,一般电磁继电器靠电流通过线圈使铁芯变成有磁性的磁铁吸合衔铁,从而使相关的触点动作控制负载的通断,而光耦继电器没有触点,其工作原理与光耦有点类似,发光二极管用来向光电元件放射光线,光电元件接受光线并控制输出场效应管导通或截止。光继电器还有另一种可控硅整流管(SCR)输出,它的负载电流比场效应管更大,后者可达到数安培,而前者可达到几十安培。相对于电磁继电器,光继电器由于没有触点引起的磨损,使用寿命是无限的,同时也具有无震动、无切换声音等特性,与电磁继电器一样可控制各种负载。输出导通状态下)当解除施加到光耦继电器输入端的电池时,输入端的发光二极管将停止发光,由于光电元件不再有光线的照射,光电元件的电压将下降,当从光电元件供给的电压开始下降时,通过控制电路导致场效应管上的电荷快速放电,继而使场效应管不再导通,负载被断开,过程中所消耗的时间称为复位时间tOff。输出截止状态下,当电池通过限流电阻施加到光耦继电器的输入端时,输入端的发光二极管将发光,发出的光照射到对面的光电元件,光电元件根据光的强度将其转换成相应的电压,同时控制电路向场效应管的栅极充电,当栅极的电压达到场效应管的开启电压时,场效应管开始导通,过程中消耗的时间称为动作时间tON。外加电压V经限流电阻R后施加到发光二极管,二极管正向导通后,即在输入回路产生正向电流IF,同时在二极管两端产生正向压降VF,调整限流电阻R即可调节正向电流,其关系为:IF = (V-VF) / R

下圖為电动汽车电池总电压监测电路实例 :

1. 充电电路(机械式继电器黏连检测): 使用光电继电器构成机械固定检测电路



















2. 充电电路(接地故障检测): 使用光继电器来配置接地故障检测电路

















3. 电池监测电路 : 使用光继电器和IC输出光耦做电池总电压监测


       
















       可以看到,电压检测电路的设计非常简单,通过光继电器与光耦的设计,将电池与MCU完全隔离开的同时,MCU也能够进行电池总电压的测量,在新能源汽车等新兴领域能够得到广泛应用。并且无噪音、低功耗、节省空间等优点使得光继电器能够在大部分需要进行电池电压监测的环境中使用。 为了满足更加强悍的新能源汽车动力电池系统,东芝推出了TLX系列满足车载的应用需求,被广泛的应用于车载BMS,DC/DC,OBC,EV Inverter等应用中。同时东芝车规级光耦也在不断地提升器件性能,更好地应对新能源汽车在电池容量、小型化以及节能领域面临的全新挑战。随着新能源汽车的不断发展,车内电池组的容量与电池组本身的设计复杂程度也随之攀升,这就让电池组的安全性变得尤为重要。在电动汽车的BMS(Battery Management System,电池管理系统)中需要多种光耦合器实现对电池组各项指标数据进行采样和监控。以东芝的车规级光耦产品为例:在一台新能源汽车的BMS系统中,光继电器(photorelay)实现了对电池组的系统控制。均采用SO6超薄封装,工作温度范围为-40℃至125℃(TLX9175J除外,其工作温度为-55℃至105℃)。在传统汽车、电动车及混动车的逆变器控制(EV inverter)及智能功率模块(intelligent power module,IPM)接口应用中,能够极好地满足车载应用的需求。东芝的TLX9160T。相较适用于100串电池组的400V及以下场景的TLX9175J,TLX9160T的工作电压高达1500V,能够满足200串电池组的800-900V的应用需求。适用于高电压汽车电池的常开型光继电器TLX9160T。这款新器件采用SO16L-T封装,是东芝首款具有1500V(最小值)高输出耐压的产品。新器件内置高电压MOSFET,输出耐压可达1500V(最小值)。在器件的检测器中可实现不小于5mm的爬电距离。这确保支持IEC 60664-1标准下的1000V供电电压,从而让这款光继电器适用于电池电压高达1000V的高电压车载应用。

应用 : 

  • 车载设备
  • 电池管理系统:电池电压监测、机械式继电器吸持检测、接地故障检测等

主要规格 :

光继电器

规格书 
TLX9175J
TLX9160T























IC输出光耦 

规格书
TLX9304
TLX9309
TLX9310
TLX9378
TLX9376

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