汽車電池電路中NTC熱敏電阻的可靠性

貼片型NTC。Vishay

電動汽車電池管理系統使用軟板PCB時，鐳射焊接產生的機械應力和溫度變化會導致表面貼裝NTC熱敏電阻熱開裂 ， 這是一種難以預測的潛在嚴重故障。 採用彈性端接和基體金屬氧化物工藝的貼片熱敏電阻可最大限度減小元件開裂的風險。

隨著電動汽車 （EV） 市場的持續快速增長，技術挑戰和為應對這些挑戰而開發的創新也在不斷發展。 在這些挑戰和創新當中，改進電池技術、提高電源電路效率和快速充電解決方案是設計工程師最為關注的領域。

目前，電動汽車主要使用鋰離子電池，單體電池電壓為3.6 V至3.7 V。 因此，建立一個總電壓為500 V至900 V的動力系統需要串並聯數百個這樣的電池。 此外，優化如此多電池單元構成的系統的性能需要高效電池管理系統 （BMS），這種系統必須能夠監測電池的溫度、阻抗 （電池內阻）、電壓以及充放電電流。 其中每項指標都會影響電池的性能。

BMS一般包括電池單元管理控制器 （CMC），主控中央單元或電池管理控制器 （BMC）。 CMC採用多通道IC （目前最多配備16通道） 執行監控功能，BMC負責控制每個CMC。 這類系統測量的主要參數包括溫度、阻抗、電壓和電流。

在考慮溫度測量的情況下，負溫度係數 （NTC） 熱敏電阻是最常用的元件解決方案。 通常，NTC熱敏電阻緊貼電池或模組壁，或電氣接點連接以確定「熱點」溫度。 隨著熱敏電阻溫度上升，具有高靈敏度的NTC的阻值會下降，因為NTC電阻具備較大的負溫度係數。 溫度的測量是通過採集普通電阻+熱敏電阻的電阻網路上的電壓，並將該類比電壓信號輸送到集成在IC裡面的ADC轉換器進行後續處理完成的。 精確的溫度採集對電池的正常運行和整個BMS系統的安全來說必不可少。 為了能精準地測量到溫度，NTC和測量電路又顯得尤為重要。

高壓電池系統可以包括二十個或更多表面貼裝NTC熱敏電阻，這些熱敏電阻位於包裹在組裝的電池結構的軟板上。 如果安裝基板是FR4 PCB，這些元件可以進行回流焊或波峰焊。 然而，一些軟板不能使用這些焊接技術，而是依靠局部加熱的鐳射焊接，以避免損壞其他敏感部件。 如果不能嚴格控制這種鐳射焊接工藝，就會導致陶瓷元件受到過量的熱應力而開裂。 同樣，整個電池系統在組裝和工作中也會受到很大的機械應力。 而且軟板上的元件也會受到通過器件端子傳導的扭力的影響，有些情況下甚至器件本身會直接承受壓力，這些情況都會導致器件結構開裂。

這種故障取決於多種因素，使其難以檢測，並且不太可能提前預測故障的出現。 此外，多層陶瓷電容已經充分證明，實際元件故障 （元件開裂） 可能在系統完成安裝部署之後的很長一段時間才出現。 這種故障也可能是災難性的，使得更換/維修的代價非常高。

為降低溫度變化或使用軟板PCB可能產生的機械應力導致元件開裂的風險，Vishay NTCS系列熱敏電阻採用基體金屬氧化物材料，配有固化環氧樹脂封裝的鎳-錫鍍層聚合物端子，而不是採用燒結的厚膜材料。 這種解決方案提供彈性端接結構，其應力測試期間的表現顯著優於其他端子材料，同時也顯著優於來自於其它製造商的多層陶瓷結構器件的彈性端接方案。

由於使用軟板PCB電路板的電池管理系統的各個元件承受的應力不盡相同，因此採用能夠吸收扭力和熱應力的彈性端接解決方案可以顯著減少潛在的現場實地故障，從而提高可靠性和使用壽命。（文章來源：Vishay（歐洲區）電阻NLR產品市場和研發工程師Alain Stas提供，DIGITIMES李佳玲整理報導。）