汽车电池电路中 NTC 热敏电阻的可靠性

电动汽车电池管理系统使用柔性 PCB 时,激光焊接产生的机械应力和温度变化会导致表面贴装 NTC 热敏电阻热开裂,这是一种难以预测的潜在严重故障。采用软端子和块状金属氧化物工艺的贴片热敏电阻可最大限度减小元件开裂的风险。

简介

随着电动汽车 (EV) 市场的持续快速增长,技术挑战和为应对这些挑战而开发的创新也在不断发展。在这些挑战和创新当中,改进电池技术、提高电源电路效率和快速充电解决方案是设计工程师最为关注的领域。

目前,电动汽车主要使用锂离子电池,单体电池电压为 3.6 V 至 3.7 V。因此,建立一个总电压为 500 V 至 900 V 的动力系统需要串并联数百个这样的电池。此外,优化如此多电池单元构成的系统的性能需要高效电池管理系统 (BMS),这种系统必须能够监测电池的温度、阻抗 (电池内阻)、电压以及充放电电流。其中每项指标都会影响电池的性能。

NTC 对 BMS 的影响

BMS 一般包括电池单元管理控制器 (CMC),主控中央单元或电池管理控制器 (BMC)。 CMC 采用多通道 IC (目前最多配备 16 通道) 执行监控功能,BMC 负责控制每个 CMC。这类系统测量的主要参数包括温度、阻抗、电压和电流。

在考虑温度测量的情况下,负温度系数 (NTC) 热敏电阻是最常用的元件解决方案。通常,NTC 热敏电阻紧贴电池或模块壁,或电气接点连接以确定“热点”温度。随着热敏电阻温度上升,具有高灵敏度的 NTC 的阻值会下降,因为 NTC 电阻具备较大的负温度系数。温度的测量是通过采集普通电阻+热敏电阻的电阻网络上的电压,并将该模拟电压信号输送到集成在 IC 里面的 ADC 转换器进行后续处理完成的。精确的温度采集对电池的正常运行和整个 BMS 系统的安全来说必不可少。为了能精准地测量到温度,NTC 和测量电路又显得尤为重要。

汽车电池电路中 NTC 热敏电阻的可靠性

高压电池系统可以包括二十个或更多表面贴装 NTC 热敏电阻,这些热敏电阻位于包裹在组装的电池结构的柔性电路上。如果安装基板是 FR4 PCB,这些元件可以进行回流焊或波峰焊。

汽车电池电路中 NTC 热敏电阻的可靠性

然而,一些柔性电路不能使用这些焊接技术,而是依靠局部加热的激光焊接,以避免损坏其他敏感部件。如果不能严格控制这种激光焊接工艺,就会导致陶瓷元件受到过量的热应力而开裂。

同样,整个电池系统在组装和工作中也会受到很大的机械应力。而且柔性电路板上的组件也会受到通过器件端子传导的扭力的影响,有些情况下甚至器件本身会直接承受压力,这些情况都会导致器件结构开裂。

汽车电池电路中 NTC 热敏电阻的可靠性

这种故障取决于多种因素,使其难以检测,并且不太可能提前预测故障的出现。此外,多层陶瓷电容已经充分证明,实际元件故障 (元件开裂) 可能在系统完成安装部署之后的很长一段时间才出现。这种故障也可能是灾难性的,使得更换/维修的代价非常高。

NTCS 系列解决方案

为降低温度变化或使用柔性 PCB 可能产生的机械应力导致元件开裂的风险,Vishay NTCS 系列热敏电阻采用块状金属氧化物材料,配有固化环氧树脂封装的镍-锡镀层聚合物端子,而不是采用烧结的厚膜材料。这种解决方案提供柔性端子结构,其应力测试期间的表现显著优于其他端子材料,同时也显著优于来自于其它制造商的多层陶瓷结构器件的柔性端子方案。

由于使用柔性 PCB 电路板的电池管理系统的各个组件承受的应力不尽相同,因此采用能够吸收扭力和热应力的柔性端子解决方案可以显著减少潜在的现场实地故障,从而提高可靠性和使用寿命。

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