三月 30, 2021

电动汽车温度传感器的选择

作者:IST应用工程师 李驰

电动汽车(客车)动力总成中的热管理深刻影响驾乘安全,在2021年1月1日起实施的三项新增强制性国家标准中[1],新增了对于电池发热预警,电池系统发热安全,电池系统热扩散实验的强制性要求。纵观整个新能源汽车的运行过程,温度监测是安全预警的最后一道屏障,有效及时的热管理策略或将成为提升电动汽车安全性的重点和关键所在,而高性能测温元件是实现一切安全策略的根基。

  1. 新能源电动汽车中的温度传感器应用与要求

         电动汽车中的温度监测主要覆盖以下三个方向:

a. 电驱控制器,电机与功率磁性元件

 随着新一代开关器件的应用,更快的开关频率使得电源的功率密度不断提高,设备体积缩小的同时,对散热设计提出了更精确的要求,这也使得设备运行中的温度监测能力需要更上一个台阶。电机与功率磁性元件的过热运行同样要被及时准确反馈回控制端,这种过热往往意味着发生了机械与电路故障,或是承受了过高负载,任一一种情况都会对电机造成永久损伤。

b. 充电设备中的电源控制与充电枪

充电设备与充电枪在长期使用的过程中,会有因为线材拖拽,或充电枪头插拔磨损而导致接触不良的风险,这将致使线路中的内阻上升,在通过电流时发热量增加而造成安全隐患。

c. 动力电池BMS

 BMS是连接电池和整车的纽带,在极端情况下电池过充导致的热失控可能会产生电池破裂甚至爆炸的严重后果。同时热管理不仅影响电池安全性,稳定精确的热管理能力可以使动力电池维持较高的放电效率。所以说电池上温度信息质量既决定了工作效率的上限,又是安全保障的底线。

不论在以上任何一种场景,对温度传感器共同提出了严格的性能指标:十年的高可靠性,高测量精度,与极低的漂移量。

  1. 铂电阻与NTC的选择

铂电阻和NTC作为广泛使用的测温元件,在不同场景有着各自的优势。对于温度范围、测量性能无苛刻要求,且价格极为敏感的应用,NTC似乎是唯一选择。但是由于材料和生产的限制,NTC等半导体元件无法进行标准化制造,非线性的温度曲线加之各个制造厂商不统一的生产标准使得NTC元件的可互换性较差。需要指出的是NTC也可以做到很高的测量精度和线性度,但是只能在非常有限的温度范围内才可以实现。相较之下,铂电阻由于铂元素材料的特性,天然具有较好的线性度,这使得铂电阻中特定阻值型号形成了国际标准。在汽车应用中,不同供应商所提供的温度产品必须具有可互换性,否则在系统集成的过程中将带来巨大的替换成本,从这个角度看,铂电阻可能具有较NTC更低的综合使用成本。

除了一致性优势之外,铂电阻一个更重要的优点在于它的测量性能:在整个温度循环中其具有更好的长期稳定性和更好的测温表现,它包括更宽的温度范围以及更高的测量精度。标准NTC可以用于最高约150℃的应用。当考虑到电动汽车内各个子系统产生的热量以及不同地区存在的气候差异时,车辆的半导体组件会暴露在广泛的温度范围内(-40°C至150°C);在一些热失控失效的场景中,瞬时温度有可能会达到250℃甚至以上[2]。这样宽广的温度范围中,将电压读数转换为实际温度测量值时,NTC的非线性曲线引入的误差降低了任何基于NTC元件的温度传感器读数的准确性。

                                               Figure 1 Pt1000 VS NTC温度曲线

 

  1. IST AG铂电阻产品如何响应各种场景的需求

IST AG作为世界上铂电阻产品门类最为齐全的生产厂家,具有超过3000个铂电阻温度传感器型号,产品应用覆盖了从航空航天,工业,医疗,到消费电子等各种场景。作为汽车行业经验丰富的创新引领者,IST AG为新能源汽车领域的温度测量提供有效解决方案。除了广泛使用的Pt100 300℃常规型号外,我们还推出了更加贴合电动汽车场景的更多产品系列,为用户提供更多创新原动力。

FlipChip

FlipChip系列Pt1000温度传感器,它支持焊接,键合,熔接等多种连接方式,温度测量范围从-50℃到最高600℃。单侧引脚的封装方式使得它可以通过陶瓷基板直接表贴于IGBT 的DCB层,在具有高导热系数的同时形成了电气隔离。FlipChip系列还可以焊接在柔性电路当中,通过粘贴的方式固定于任意需要温度测量的位点,而不受表面材料的限制。在电池温度采集的应用中,这无疑是最理想的温度采集方式。

Figure 2 FlipChip示意图

 

金属化背面(Metallized backside)

  通过对Pt100温度传感器的陶瓷基材背面进行金属化处理,我们创造了金属化背面系列温度传感器,该系列具有更好的热耦合性能与更低的传感器自热效应。对于需要实现快速温度传导的金属表面,金属化背面的工艺使得免除添加导热介质成为可能,让传感器成为被测物的一部分,因此而提供无与伦比的测量性能。该系列同时保持了宽广的测温范围(-200℃到+300℃),极低的漂移量与绝佳的稳定性(在300℃,1000h环境下小于0.04%)。

Figure 3 金属化背面温度传感器示意图

 

MiniSens

  Minisense系列为小型化铂电阻温度传感器,它代表了IST AG在传感器尺寸方面的定制能力。Minisense系列对生产精度,尤其是引线固定工艺提出了更高的要求,在保证测量性能,可生产性的同时,Minisens系列的宽度最小可以做到0.5mm。小型化的温度传感器可以适用对空间要求苛刻的场景,同时由于小型化后带来的热质量降低,传感器感知温度变化的速度也会有所提升。

Figure 4 Minisens Pt100示意图

 

  1. IST AG是您全方位的合作伙伴

         IST AG在温度,湿度,流量,电导率和生物领域提供广泛核心传感元件,通过积极的创新帮助用户实现产品价值。

•我们开发适合特定应用要求的传感器

•我们的产品专家提供从传感器开发到售后的全流程服务;

•我们可以在很短的时间内,开发和生产小批量或大批量传感器产品;

•我们具有最先进的研发生产设施,提供传感器技术开发和咨询服务;

•我们研发与生产的传感器覆盖各行各业广泛的应用。

 

 

[1] 三项新增强制性国家标准:GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》

[2] 周小康,马奎,梁蓓. IGBT模块失效机理和主动热控制综述[J].电子技术应用,2020,46(2):18-23.