TDK电子
稳定监测电动汽车电池的充电过程

在电动汽车领域,监测所有电力元件的温度是一项关键任务,是保障整个系统的安全性、可靠性和使用寿命的基本要求。坚固耐用的TDK和爱普科斯 (EPCOS) NTC热敏电阻是实现该任务的主要元件。

电动汽车 (xEV) 的高速增长为汽车行业及其供应商带来新的挑战。其中一个真实存在的特殊挑战就缩短电动汽车电池充电时间引发的过热问题。因为较短的充电时间需要功率高达三位数的充电输出,很容易导致相关元件发热/过热。因此,必须适当监测充电桩、连接器系统、母线、电力电子设备和高压电池的温度,以确保充电过程的安全性和有效性。不完善的温度监测会导致系统元件磨损,使用寿命缩短甚至元件故障。最糟糕的情况下,重度过热还可能导致电池着火。

针对电动汽车的温度监测应用,TDK专门开发了一系列特殊的NTC温度传感器。这些传感器极为安全可靠,可确保卓越的温度监测性能(图1),从而助力优化充电过程,延长受热元件的使用寿命,并实现安全相关的功能。相比于同类竞品,它们具有优异的测量精度和较短的响应时间,非常适合监测充电时涉及的热力过程。

好处一览

1 – 适当的温度监测能延长电池使用寿命

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图1:爱普科斯 (EPCOS) NTC电池传感器具有优异的长期防潮能力,易于安装,并能根据客户要求定制。

高压电池在规定的工作温度范围内可实现最佳的能源效率。可靠地监测并控制电池温度能防止过热,有效延长电池使用寿命并增强安全性。为此,必须在多处测量电池温度,防止局部过热。新开发的特殊爱普科斯 (EPCOS) 旋入式温度传感器专门针对水分、冷凝和机械应力等苛刻要求进行了优化,并通过相关认证,适用于各系列车辆。该传感器(图2)配备坚固耐用的防潮外壳,内置一个嵌入式NTC元件,安装时只需通过金属孔眼将传感器固定在电池表面上的适当位置即可,也可由机器人安装。标准型旋入式温度传感器在25°C时的电阻值为10kΩ,而NTC温度传感器的电阻值和特性曲线则能根据客户的特定要求定制调整,标配测量范围为-40°C至+85°C。


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2 – 不可忽视冷却介质的温度监测

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图2:TDK的管装传感器适用于多种管径,安装简便且响应快。

冷却液的温度可反映电池的工作状态。使用管装传感器(也称为卡口式传感器)能可靠地测量冷却液温度。这些传感器可安装在冷却液入口和出口的管路外部,无需进一步的密封即可保护传感器免受冷却液的侵蚀。这意味着,相比于带确定安装孔的解决方案,管装传感器在管道设计和安装方面具有更好的灵活性。TDK可提供全系列解决方案,并能根据客户的特定要求定制产品几何形状和电气参数。

这些新开发的NTC管装传感器的特殊之处是结合了传感器和固定元件,即传感器能牢固地安装达到管道上,并具有良好的抗振动性。传感器能非常方便地安装到冷却液管,且拆卸也异常便捷,省时省力。另外,传感器采用模块化设计,能安装到不同直径的管道上(图2)。

为确保传感器系统的长期稳定性,我们高度重视选材,所用卡扣材料与管道材料非常兼容。传感器配备一个密封的金属套管,置于冷却回路的金属管周围并与封装在金属套管内的NTC元件具有相同的热和电特性,确保较短的响应时间。

传感器系统的抗霜冻、耐高温和耐高湿度的性能也是我们关注的重点领域。降温时,车辆和传感器上都会出现冷凝水。针对该问题,我们沿用了已经在其他传感器中使用的成熟设计,即传感器用塑料封装,以提供适当的防冷凝保护。传感器还能在管道上反复拆装,方便维护。


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3 – 适用于电力电子设备的耐高压母线传感器

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图3:新型TDK母线传感器具有长期稳定性和高电阻等级,性能突出。

直接测量电动汽车的母线温度不仅能实现节能控制,还能防止出现会缩短汽车使用寿命的尖峰工作负荷。这项艰巨的任务要求传感器不仅能承受高电压,还要具有卓越的温度测量精度。市面上的很多传感器仅指定了传感器的出厂状态,但很多情况下这是不够的,因为关键性能参数可能会随着传感器使用寿命的延长而降低。例如,传感器必须长期维持适当的电阻,才能避免出现可能缩短汽车使用寿命的尖峰负荷,防止损坏控制单元。

针对母线的温度测量应用,TDK专门推出一款安装在母线上的NTC传感器。它具有优异的长期稳定性,工作温度范围为-40°C至+150°C,允许的短时工作温度可达200°C。在25°C时,标称电阻为10 kΩ,B25 / 100值为3625 K,公差为±1%。

该传感器通过耐候性、耐化学性和机械性能测试,使用寿命负荷LV 124标准要求,且电阻也达到LV 123标准的H3等级,相当于2.5 kV DC。

新型温度传感器的连接电缆符合LV 112-4标准关于汽车用电缆的要求,并采用绞线设计提高了EMC性能。其包括一个铜合金M4安装支架。这种选材可确保良好的热力耦合性能,以及和铜母线之间的良好材料兼容性,防止出现接触腐蚀。


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4 – 安全监测连接器系统

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图4:扁平设计让NTCRP系列的TDK NTC温度传感器可轻松集成到连接器系统。

充电时,充电桩和车辆之间的连接器系统也可能承受高温。为保证安全监测温度并避免过热,国际电工委员会 (IEC) 规定,连接器系统中使用的温度传感器必须满足IEC TS 62196-3 1 DIN标准的最低要求。因此,温度传感器必须具有可靠的测量精度和较高的温度公差。TDK的NTCRP系列传感器专门针对该应用进行了小型化设计(图5),采用扁平外壳以改善传感器与连接器触点表面的连接,并能短时间承受高达200°C的温度。


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5 – 具有长期稳定性的电力电子用母线传感器

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图5:用于温度补偿和测量应用的TDK B57703M NTC传感器,长期稳定性极佳。

快速充电被认为是推动电动汽车发展的关键要素之一,能让电动汽车行驶更长的旅程,且中途无需长时间停车等待充电。借助快速充电技术,充电时间可减少数个小时,缩短至15到30分钟,具体充电时间因充电技术、电池化学成分和温度而异。但超短充电时间需要超大电流,这给充电桩中的电力电子设备带来很大压力,也让热力监测变得更加至关重要。

针对这类应用,TDK推出一种新型传感器——B57703M系列。这类传感器具有卓越的长期稳定性,并采用符合UL 94 V-0要求的阻燃涂料,可直接旋入安装到电力电子设备的散热器和外壳上(图5)。其中M703 NTC传感器的工作温度范围为-55°C至+155°C,在25°C时的额定电阻为5kΩ,B25 / 100值为3964 K。我们也能根据客户要求定制传感器规格,如电阻值、额定温度、电阻公差、电缆长度和AWG-28线缆。


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原则上,电动汽车进一步发展的最重要因素之一是提高能效。在这方面,TDK丰富产品系列之一的NTC温度传感器的长期稳定性和高精度温度测量性能,为推动电动汽车的进一步发展做出了重大贡献。凭借稳健的NTC温度传感器以及在这些元件开发领域的多年经验,TDK能为客户提供强有力的支持。其结果就是能满足客户对整个电池充电过程进行可靠温度监测的高要求。