【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)使用柔性 PCB 時(shí)，激光焊接產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和溫度變化會(huì)導(dǎo)致表面貼裝 NTC 熱敏電阻熱開(kāi)裂，這是一種難以預(yù)測(cè)的潛在嚴(yán)重故障。采用軟端子和塊狀金屬氧化物工藝的貼片熱敏電阻可最大限度減小元件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)使用柔性 PCB 時(shí)，激光焊接產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和溫度變化會(huì)導(dǎo)致表面貼裝 NTC 熱敏電阻熱開(kāi)裂，這是一種難以預(yù)測(cè)的潛在嚴(yán)重故障。采用軟端子和塊狀金屬氧化物工藝的貼片熱敏電阻可最大限度減小元件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
簡(jiǎn)介
隨著電動(dòng)汽車(chē) (EV) 市場(chǎng)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，技術(shù)挑戰(zhàn)和為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新也在不斷發(fā)展。在這些挑戰(zhàn)和創(chuàng)新當(dāng)中，改進(jìn)電池技術(shù)、提高電源電路效率和快速充電解決方案是設(shè)計(jì)工程師最為關(guān)注的領(lǐng)域。
目前，電動(dòng)汽車(chē)主要使用鋰離子電池，單體電池電壓為 3.6 V 至 3.7 V。因此，建立一個(gè)總電壓為 500 V 至 900 V 的動(dòng)力系統(tǒng)需要串并聯(lián)數(shù)百個(gè)這樣的電池。此外，優(yōu)化如此多電池單元構(gòu)成的系統(tǒng)的性能需要高效電池管理系統(tǒng) (BMS)，這種系統(tǒng)必須能夠監(jiān)測(cè)電池的溫度、阻抗 (電池內(nèi)阻)、電壓以及充放電電流。其中每項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)影響電池的性能。
NTC 對(duì) BMS 的影響
BMS 一般包括電池單元管理控制器 (CMC)，主控中央單元或電池管理控制器 (BMC)。 CMC 采用多通道 IC (目前最多配備 16 通道) 執(zhí)行監(jiān)控功能，BMC 負(fù)責(zé)控制每個(gè) CMC。這類(lèi)系統(tǒng)測(cè)量的主要參數(shù)包括溫度、阻抗、電壓和電流。
在考慮溫度測(cè)量的情況下，負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻是最常用的元件解決方案。通常，NTC 熱敏電阻緊貼電池或模塊壁，或電氣接點(diǎn)連接以確定“熱點(diǎn)”溫度。隨著熱敏電阻溫度上升，具有高靈敏度的 NTC 的阻值會(huì)下降，因?yàn)?NTC 電阻具備較大的負(fù)溫度系數(shù)。溫度的測(cè)量是通過(guò)采集普通電阻+熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)上的電壓，并將該模擬電壓信號(hào)輸送到集成在 IC 里面的 ADC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后續(xù)處理完成的。精確的溫度采集對(duì)電池的正常運(yùn)行和整個(gè) BMS 系統(tǒng)的安全來(lái)說(shuō)必不可少。為了能精準(zhǔn)地測(cè)量到溫度，NTC 和測(cè)量電路又顯得尤為重要。
高壓電池系統(tǒng)可以包括二十個(gè)或更多表面貼裝 NTC 熱敏電阻，這些熱敏電阻位于包裹在組裝的電池結(jié)構(gòu)的柔性電路上。如果安裝基板是 FR4 PCB，這些元件可以進(jìn)行回流焊或波峰焊。
然而，一些柔性電路不能使用這些焊接技術(shù)，而是依靠局部加熱的激光焊接，以避免損壞其他敏感部件。如果不能?chē)?yán)格控制這種激光焊接工藝，就會(huì)導(dǎo)致陶瓷元件受到過(guò)量的熱應(yīng)力而開(kāi)裂。
同樣，整個(gè)電池系統(tǒng)在組裝和工作中也會(huì)受到很大的機(jī)械應(yīng)力。而且柔性電路板上的組件也會(huì)受到通過(guò)器件端子傳導(dǎo)的扭力的影響，有些情況下甚至器件本身會(huì)直接承受壓力，這些情況都會(huì)導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。
這種故障取決于多種因素，使其難以檢測(cè)，并且不太可能提前預(yù)測(cè)故障的出現(xiàn)。此外，多層陶瓷電容已經(jīng)充分證明，實(shí)際元件故障 (元件開(kāi)裂) 可能在系統(tǒng)完成安裝部署之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間才出現(xiàn)。這種故障也可能是災(zāi)難性的，使得更換/維修的代價(jià)非常高。
NTCS 系列解決方案
為降低溫度變化或使用柔性 PCB 可能產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致元件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，Vishay NTCS 系列熱敏電阻采用塊狀金屬氧化物材料，配有固化環(huán)氧樹(shù)脂封裝的鎳-錫鍍層聚合物端子，而不是采用燒結(jié)的厚膜材料。這種解決方案提供柔性端子結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力測(cè)試期間的表現(xiàn)顯著優(yōu)于其他端子材料，同時(shí)也顯著優(yōu)于來(lái)自于其它制造商的多層陶瓷結(jié)構(gòu)器件的柔性端子方案。
由于使用柔性 PCB 電路板的電池管理系統(tǒng)的各個(gè)組件承受的應(yīng)力不盡相同，因此采用能夠吸收扭力和熱應(yīng)力的柔性端子解決方案可以顯著減少潛在的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地故障，從而提高可靠性和使用壽命。
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