BMS系統ESD可行性防護方案

        隨著人們環保意識的加強，各國也越來越重視新能源汽車的發展，而新能源汽車也成為了未來汽車發展的趨勢。研究機構EVTank聯合中國電池產業研究院共同發佈了《中國新能源汽車行業發展白皮書（2021年）》，白皮書資料顯示，2020年，中國新能源汽車銷量達到130萬輛，白皮書也對2025年中國新能源汽車的銷量估計有望達到530萬輛。 

        而作為新能源汽車三大核心部件（如圖1）之一的電池管理系統BMS，其負責電池組日常安全管理，保證動力電池系統安全穩定運行。所以對駕駛者和乘客的安全性尤為重要。

圖1 新能源汽車三大核心部件

電池管理系統原理

        電池管理系統（BMS），即Battery Management System，通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態來確定整個電池系統的狀態，並根據它們的狀態對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施，實現對動力電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。 　　

        如下圖2，為BMS電器架構，每個功能模組間通訊由CAN匯流排來實現。而CAN作為每個模組之間的連接埠，其通訊線長度短則幾十釐米，長則十幾米。而對於整個BMS系統，由於其複雜的電子及電池系統，在汽車啟動及運行中都極易引起ESD等脈衝的干擾，這些干擾皆可能對信號線或電源造成影響。其後果輕則可能造成操作汽車的回應延遲，重則可能令操作中斷或失效，造成車禍事故。所以BMS系統的ESD防護尤其重要。

圖2 BMS電器架構

可行性ESD防護方案

        晶焱科技多年來一直致力於研發ESD防護技術，擁有先進的ESD防護設計技術。在通訊線CAN信號防護上，我司擁有通過AEC-Q101認證成熟的車規級TVS，常用型號AZ9424-02S為SOT23-3L封裝，可同時防護CAN_H/L兩條信號線。而針對2016發佈的ISO11898-2標準的高速CAN FD功能，為滿足保證其5M/bps通信速率的信號完整性，我司專門開發出AZ9427-02S型號，其寄生電容低至3.6pF。另外，兩個TVS均擁有極低的ESD鉗制電壓，使得ESD的能量能鉗制在更低的電壓以防止系統內部電路或IC受到干擾而失效，此鉗制電壓是判斷保護元件對於系統電路保護效能最重要的參數，在我司2020年7月9日發佈的技術文章《TVS最重要的參數-鉗制電壓(Clamping Voltage)》有詳細講述鉗制電壓的重要性。如下圖3，是使用專業TLP設備分別量測以上兩個型號的ESD電流對電壓的IV曲線圖。在IEC 61000-4-2標準8kV（對應TLP電流16A）ESD衝擊下，TVS分別可以坩制在31V和39V的極低水準。

圖3 TLP IV曲線圖

        為保證主從控制器在資料獲取和傳輸過程中，避免與其他電子單元相互干擾或受異常能量耦合而造成信號品質下降，除了基本電氣性能試驗須滿足外，電磁相容試驗更是應該嚴格檢測並且依據實際產品應用環境不同而調整測試的等級。國家建議標準GBT 38661-2020 電動汽車用電池管理系統技術條件中有列出電磁相容測試專案。而車企可按自身性能要求而自訂試驗電壓的協定值。如某車企設定ESD測試標準協議值為接觸8kV/空氣16kV，Class B，考慮提高產品性能及品質，比標準高出1kV餘量，而Tier1或OEM廠商則會按照此標準嚴重執行，甚至更高，所以選用優秀規格的保護器件TVS尤其重要。圖4列出國家建議標準的參考測試部分專案。

圖4 EMC試驗與參考標準

        耦合電瞬態發射抗擾度試驗是參照GB/T 21437.3-2012方法進行，其中快a和快b是參照GB/T 21437.2-2008的3a與3b脈衝標準，其試驗時間長達１小時。對此晶焱科技提供AZ9424-02S除了高效的ESD防護能力外，同時具有特定電瞬態傳導抗打擊能力。在圖5與圖6分別顯示AZ9424-02S在協力廠商實驗室的ISO 7637單體實驗結果，在DCC (Direct  Capacitive Coupling, 直接電容耦合)模式下可通過Fast Pulse 3a&3b達±200V，且此規格為GB/T 38661的最高建議標準。

        另外對於各控制板或板內採樣模組的通訊介面，其也包含電源線和各種串列或並行通訊介面。防止電子系統自身電壓波動造成異常能量的耦合破壞現象，我司亦有推出相應ESD保護方案。圖7為對應的電源端或信號端的保護器件TVS，均通過AEC-Q101認證。晶焱科技先進的半導體設計技術，不斷改善和精細化各項參數，將鉗制電壓設計在合理的最佳水準。

圖 7