電動汽車溫度傳感器的選擇
發(fā)布時間：2022-12-08 作者：www.xstr.xyz
電動汽車（客車）動力總成中的熱管理深刻影響駕乘安全，在2021年1月1日起實施的三項新增強制性國家標(biāo)準(zhǔn)中[1]，新增了對于電池發(fā)熱預(yù)警，電池系統(tǒng)發(fā)熱安全，電池系統(tǒng)熱擴散實驗的強制性要求?？v觀整個新能源汽車的運行過程，溫度監(jiān)測是安全預(yù)警的最后一道屏障，有效及時的熱管理策略或?qū)⒊蔀樘嵘妱悠嚢踩缘闹攸c和關(guān)鍵所在，而高性能測溫元件是實現(xiàn)一切安全策略的根基。
1. 新能源電動汽車中的溫度傳感器應(yīng)用與要求
電動汽車中的溫度監(jiān)測主要覆蓋以下三個方向：
a. 電驅(qū)控制器，電機與功率磁性元件
隨著新一代開關(guān)器件的應(yīng)用，更快的開關(guān)頻率使得電源的功率密度不斷提高，設(shè)備體積縮小的同時，對散熱設(shè)計提出了更精確的要求，這也使得設(shè)備運行中的溫度監(jiān)測能力需要更上一個臺階。電機與功率磁性元件的過熱運行同樣要被及時準(zhǔn)確反饋回控制端，這種過熱往往意味著發(fā)生了機械與電路故障，或是承受了過高負(fù)載，任一一種情況都會對電機造成永久損傷。
b. 充電設(shè)備中的電源控制與充電槍
充電設(shè)備與充電槍在長期使用的過程中，會有因為線材拖拽，或充電槍頭插拔磨損而導(dǎo)致接觸不良的風(fēng)險，這將致使線路中的內(nèi)阻上升，在通過電流時發(fā)熱量增加而造成安全隱患。
c. 動力電池BMS
BMS是連接電池和整車的紐帶，在極端情況下電池過充導(dǎo)致的熱失控可能會產(chǎn)生電池破裂甚至爆炸的嚴(yán)重后果。同時熱管理不僅影響電池安全性，穩(wěn)定精確的熱管理能力可以使動力電池維持較高的放電效率。所以說電池上溫度信息質(zhì)量既決定了工作效率的上限，又是安全保障的底線。
不論在以上任何一種場景，對溫度傳感器共同提出了嚴(yán)格的性能指標(biāo)：十年的高可靠性，高測量精度，與極低的漂移量。
2. 鉑電阻與NTC的選擇
鉑電阻和NTC作為廣泛使用的測溫元件，在不同場景有著各自的優(yōu)勢。對于溫度范圍、測量性能無苛刻要求，且價格極為敏感的應(yīng)用，NTC似乎是唯一選擇。但是由于材料和生產(chǎn)的限制，NTC等半導(dǎo)體元件無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制造，非線性的溫度曲線加之各個制造廠商不統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)使得NTC元件的可互換性較差。需要指出的是NTC也可以做到很高的測量精度和線性度，但是只能在非常有限的溫度范圍內(nèi)才可以實現(xiàn)。相較之下，鉑電阻由于鉑元素材料的特性，天然具有較好的線性度，這使得鉑電阻中特定阻值型號形成了國際標(biāo)準(zhǔn)。在汽車應(yīng)用中，不同供應(yīng)商所提供的溫度產(chǎn)品必須具有可互換性，否則在系統(tǒng)集成的過程中將帶來巨大的替換成本，從這個角度看，鉑電阻可能具有較NTC更低的綜合使用成本。
除了一致性優(yōu)勢之外，鉑電阻一個更重要的優(yōu)點在于它的測量性能：在整個溫度循環(huán)中其具有更好的長期穩(wěn)定性和更好的測溫表現(xiàn)，它包括更寬的溫度范圍以及更高的測量精度。標(biāo)準(zhǔn)NTC可以用于最高約150℃的應(yīng)用。當(dāng)考慮到電動汽車內(nèi)各個子系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量以及不同地區(qū)存在的氣候差異時，車輛的半導(dǎo)體組件會暴露在廣泛的溫度范圍內(nèi)（-40°C至150°C）；在一些熱失控失效的場景中，瞬時溫度有可能會達(dá)到250℃甚至以上[2]。這樣寬廣的溫度范圍中，將電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實際溫度測量值時，NTC的非線性曲線引入的誤差降低了任何基于NTC元件的溫度傳感器讀數(shù)的準(zhǔn)確性。
Figure 1 Pt1000 VS NTC溫度曲線
3. IST AG鉑電阻產(chǎn)品如何響應(yīng)各種場景的需求
IST AG作為世界上鉑電阻產(chǎn)品門類最為齊全的生產(chǎn)廠家，具有超過3000個鉑電阻溫度傳感器型號，產(chǎn)品應(yīng)用覆蓋了從航空航天，工業(yè)，醫(yī)療，到消費電子等各種場景。作為汽車行業(yè)經(jīng)驗豐富的創(chuàng)新引領(lǐng)者，IST AG為新能源汽車領(lǐng)域的溫度測量提供有效解決方案。除了廣泛使用的Pt100 300℃常規(guī)型號外，我們還推出了更加貼合電動汽車場景的更多產(chǎn)品系列，為用戶提供更多創(chuàng)新原動力。
FlipChip
FlipChip系列Pt1000溫度傳感器，它支持焊接，鍵合，熔接等多種連接方式，溫度測量范圍從-50℃到最高600℃。單側(cè)引腳的封裝方式使得它可以通過陶瓷基板直接表貼于IGBT 的DCB層，在具有高導(dǎo)熱系數(shù)的同時形成了電氣隔離。FlipChip系列還可以焊接在柔性電路當(dāng)中，通過粘貼的方式固定于任意需要溫度測量的位點，而不受表面材料的限制。在電池溫度采集的應(yīng)用中，這無疑是最理想的溫度采集方式。
Figure 2 FlipChip示意圖
金屬化背面（Metallized backside）
通過對Pt100溫度傳感器的陶瓷基材背面進(jìn)行金屬化處理，我們創(chuàng)造了金屬化背面系列溫度傳感器，該系列具有更好的熱耦合性能與更低的傳感器自熱效應(yīng)。對于需要實現(xiàn)快速溫度傳導(dǎo)的金屬表面，金屬化背面的工藝使得免除添加導(dǎo)熱介質(zhì)成為可能，讓傳感器成為被測物的一部分，因此而提供無與倫比的測量性能。該系列同時保持了寬廣的測溫范圍（-200℃到+300℃），極低的漂移量與絕佳的穩(wěn)定性（在300℃，1000h環(huán)境下小于0.04%）。
Figure 3 金屬化背面溫度傳感器示意圖
MiniSens
Minisense系列為小型化鉑電阻溫度傳感器，它代表了IST AG在傳感器尺寸方面的定制能力。Minisense系列對生產(chǎn)精度，尤其是引線固定工藝提出了更高的要求，在保證測量性能，可生產(chǎn)性的同時，Minisens系列的寬度最小可以做到0.5mm。小型化的溫度傳感器可以適用對空間要求苛刻的場景，同時由于小型化后帶來的熱質(zhì)量降低，傳感器感知溫度變化的速度也會有所提升。
Figure 4 Minisens Pt100示意圖
4. IST AG是您全方位的合作伙伴
IST AG在溫度，濕度，流量，電導(dǎo)率和生物領(lǐng)域提供廣泛核心傳感元件，通過積極的創(chuàng)新幫助用戶實現(xiàn)產(chǎn)品價值。
● 我們開發(fā)適合特定應(yīng)用要求的傳感器
● 我們的產(chǎn)品專家提供從傳感器開發(fā)到售后的全流程服務(wù)；
● 我們可以在很短的時間內(nèi)，開發(fā)和生產(chǎn)小批量或大批量傳感器產(chǎn)品；
● 我們具有最先進(jìn)的研發(fā)生產(chǎn)設(shè)施，提供傳感器技術(shù)開發(fā)和咨詢服務(wù)；
● 我們研發(fā)與生產(chǎn)的傳感器覆蓋各行各業(yè)廣泛的應(yīng)用。
[1] 三項新增強制性國家標(biāo)準(zhǔn)：GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》
[2] 周小康，馬奎，梁蓓. IGBT模塊失效機理和主動熱控制綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：18-23.
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