新能源安全之路：溫度芯片助力充電樁實(shí)現(xiàn)智能溫度監(jiān)控

隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)的迅速擴(kuò)大，充電樁的建設(shè)也在全國(guó)范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。國(guó)家和政府也出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)政策，促進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的車(chē)輛充電需求。充電樁的普及不僅使得新能源汽車(chē)的充電更加便捷，也為環(huán)保事業(yè)的推進(jìn)做出了積極貢獻(xiàn)。

然而，近年來(lái)充電樁起火爆炸、車(chē)輛充電中自燃等事故頻頻發(fā)生，引發(fā)了人們對(duì)新能源汽車(chē)、鋰電池及其充電設(shè)備等消防安全的集中關(guān)注。在新能源汽車(chē)的蓬勃發(fā)展下，充電樁作為其重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，其可靠性和安全性是重中之重。充電過(guò)程中溫度控制不當(dāng)可能導(dǎo)致電池過(guò)熱，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)或爆炸，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

充電樁安全問(wèn)題的頻發(fā)引起了廣泛關(guān)注，特別是溫度控制、電路短路、電壓波動(dòng)等問(wèn)題可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的監(jiān)測(cè)和處理顯得尤為重要。因此，急需一種可靠的監(jiān)測(cè)方案來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，以保障充電過(guò)程的安全穩(wěn)定。

為了保障用電安全，我們需要實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁各處的溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)，迅速采取措施，如切斷供電電路、發(fā)出告警并及時(shí)上報(bào)至云端等。針對(duì)充電樁溫度檢測(cè)的需求，開(kāi)發(fā)和優(yōu)化了溫度傳感芯片（為了適配不同用戶(hù)要求，溫度芯片擁有多種可選封裝，詳見(jiàn)后附選型表，方便用戶(hù)選型設(shè)計(jì)，文中以SOT23封裝的M1601B為例介紹）用以實(shí)現(xiàn)充電樁、充電槍接口以及電車(chē)電池倉(cāng)內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)不僅能夠及時(shí)檢測(cè)溫度異常，還具備超高溫報(bào)警和集成快速斷電等功能，有效地預(yù)防了車(chē)輛設(shè)備起火自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)溫度傳感芯片- M1601B的應(yīng)用，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)充電樁及充電槍溫度的全面監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)溫度異常情況，從而保障了充電過(guò)程的安全穩(wěn)定性。同時(shí)，該技術(shù)的高效應(yīng)用也為新能源車(chē)輛的發(fā)展提供了可靠保障，推動(dòng)了新能源汽車(chē)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

充電樁以及充電槍實(shí)物圖

溫度傳感器安裝位置

溫度傳感器芯片可安裝于充電樁和充電槍內(nèi)部的關(guān)鍵位置，如充電電源、充電線(xiàn)路和電池連接器等，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些部件的溫度。每個(gè)傳感器均配備唯一編碼，可通過(guò)讀取編碼區(qū)分不同傳感器，進(jìn)而獲取各個(gè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

傳感器安裝在充電槍/充電樁的位置

1． 充電樁內(nèi)IGBT模塊的溫度檢測(cè)

2． 充電樁接線(xiàn)座的溫度檢測(cè)

3． 充電槍接線(xiàn)端子的溫度檢測(cè)

4． 充電槍接線(xiàn)口的溫度檢測(cè)

家用充電槍溫度傳感器安裝位置

溫度傳感器特性

數(shù)字溫度傳感器其感溫原理基于CMOS半導(dǎo)體PN節(jié)溫度與帶隙電壓的特性關(guān)系，經(jīng)過(guò)小信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字校準(zhǔn)補(bǔ)償后，通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)輸出。該傳感器具有精度高、功耗低、一致性好、測(cè)溫速度快、可編程配置靈活、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，傳感器還具備抗擊8kV接觸放電和15kV非接觸放電的能力，具有出色的穩(wěn)定性和耐用性。

主要優(yōu)點(diǎn)如下：

高精度：數(shù)字溫度傳感器芯片具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，精度可達(dá)到±0.5℃，能夠提供精確的溫度測(cè)量結(jié)果。

廣泛測(cè)溫范圍：能夠覆蓋廣泛的測(cè)溫范圍，從-70℃到+150℃，滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

高可靠性：敏源溫度傳感器采用固態(tài)傳感器技術(shù)，無(wú)活動(dòng)部件，不易損壞或失效，通過(guò)ESD、老化試驗(yàn)等測(cè)試，保證了其可靠性。*

低功耗：數(shù)字溫度傳感器芯片通常具有低功耗特性，適用于對(duì)電力消耗有限制的場(chǎng)合，例如便攜式設(shè)備、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)等。

快速響應(yīng)：可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)溫度變化，提高了溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

高線(xiàn)性：溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，具有一致性好的特點(diǎn)。

支持用戶(hù)空間：內(nèi)置EEPROM，可以方便地存儲(chǔ)用戶(hù)數(shù)據(jù)，提供了靈活性和便利性。

支持級(jí)聯(lián)組網(wǎng)：?jiǎn)慰偩€(xiàn)支持一條總線(xiàn)多點(diǎn)級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和管理。

與NTC傳感器技術(shù)對(duì)比

NTC熱敏電阻通常由金屬氧化物制成，主要成分包括錳、鈷、鎳和銅等金屬。這些金屬氧化物通過(guò)陶瓷工藝制造而成。與鍺、硅等半導(dǎo)體材料類(lèi)似，這些金屬氧化物在導(dǎo)電方式上表現(xiàn)出一致性。當(dāng)溫度較低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和空穴）數(shù)目較少，因此其電阻較高；而在溫度升高時(shí)，氧化物材料的載流子數(shù)目增多，導(dǎo)致其電阻降低。

非線(xiàn)性特性：NTC熱敏電阻的阻值隨溫度變化呈非線(xiàn)性關(guān)系，這意味著在一定溫度范圍內(nèi)，溫度變化對(duì)應(yīng)的阻值變化并不是線(xiàn)性的。這種非線(xiàn)性特性可能使得在一些應(yīng)用場(chǎng)景下需要進(jìn)行更復(fù)雜的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

溫度響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)：由于熱敏電阻本身的熱容性較大，其溫度響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這意味著在溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值變化需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此可能會(huì)導(dǎo)致溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性不高。

模擬輸出：NTC熱敏電阻通常具有模擬輸出，這意味著需要使用模擬電路來(lái)將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。相比于數(shù)字輸出的傳感器，這增加了數(shù)據(jù)采集和處理的復(fù)雜性，可能需要額外的模擬電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。

采集電路復(fù)雜：由于NTC熱敏電阻的非線(xiàn)性特性，其輸出信號(hào)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，以確保準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。因此，設(shè)計(jì)用于采集和處理這些信號(hào)的電路可能會(huì)更加復(fù)雜，需要更多的器件和技術(shù)支持。

溫度范圍受限：雖然NTC熱敏電阻在一定范圍內(nèi)可以提供較高的精度和靈敏度，但其可靠工作范圍受到限制。在極端溫度條件下，例如超低溫或超高溫環(huán)境，熱敏電阻可能會(huì)失去準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

溫度漂移：NTC熱敏電阻的阻值隨時(shí)間和使用條件的變化而發(fā)生漂移。這種溫度漂移可能由于材料老化、電路老化、環(huán)境條件變化等因素引起，導(dǎo)致溫度測(cè)量的不準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性下降。

外部環(huán)境影響：NTC熱敏電阻對(duì)外部環(huán)境的影響較為敏感。例如，受到濕度、化學(xué)氣體、機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致熱敏電阻的性能發(fā)生變化，從而影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

不支持多點(diǎn)互聯(lián)：由于NTC熱敏電阻通常是單個(gè)傳感器，而不是多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，因此不支持多點(diǎn)互聯(lián)。這意味著在需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)位置或多個(gè)溫度的應(yīng)用中，可能需要使用多個(gè)單獨(dú)的傳感器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

成本高：盡管NTC熱敏電阻在一些應(yīng)用中具有較高的性?xún)r(jià)比，但由于其需要復(fù)雜的采集電路、較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間以及其他限制，其總體成本可能會(huì)相對(duì)較高。特別是在需要高精度、高可靠性和大范圍溫度測(cè)量的應(yīng)用中，可能需要更昂貴的器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加了成本。

不支持用戶(hù)空間、多點(diǎn)互聯(lián)等高級(jí)功能：由于NTC熱敏電阻式單個(gè)無(wú)源器件，其無(wú)法支持高級(jí)功能。

硬件參考設(shè)計(jì)

M1601B溫度傳感芯片支持寄生供電模式，即傳感器通過(guò)單一數(shù)據(jù)線(xiàn)接收來(lái)自主控器的命令和電源信號(hào)，并利用這些能量來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。下圖為典型電路。

應(yīng)用于充電樁測(cè)溫方案原理圖

在寄生供電模式下，M1601B采用兩線(xiàn)應(yīng)用模式，即通過(guò)DQ和GND兩根線(xiàn)與主機(jī)進(jìn)行通訊。其中，R2是上拉電阻，用來(lái)為芯片供電，而C2則是儲(chǔ)能電容，用來(lái)儲(chǔ)存能量。此外，R1、R3、C1構(gòu)成濾波電路，用于濾除信號(hào)中的噪聲。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，電路中還包括了一組對(duì)稱(chēng)放置的肖特基二極管D2和D5，以及TVS管D1和D3，構(gòu)成了保護(hù)電路，有效防止了線(xiàn)纜上的靜電和浪涌現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的損害。此外，D6放置在溫度傳感器芯片附近，作為防護(hù)器件，能夠防止大地上的異常電壓波動(dòng)對(duì)傳感器芯片造成損傷。

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審核編輯 黃宇