新能源安全之路：敏源传感温度芯片助力充电桩实现智能温度监控

 

概述

随着新能源汽车市场的迅速扩大，充电桩的建设也在全国范围内蓬勃发展。国家和政府也出台了一系列鼓励政策，促进充电基础设施建设，以满足日益增长的车辆充电需求。充电桩的普及不仅使得新能源汽车的充电更加便捷，也为环保事业的推进做出了积极贡献。

然而，近年来充电桩起火爆炸、车辆充电中自燃等事故频频发生，引发了人们对新能源汽车、锂电池及其充电设备等消防安全的集中关注。在新能源汽车的蓬勃发展下，充电桩作为其重要基础设施之一，其可靠性和安全性是重中之重。充电过程中温度控制不当可能导致电池过热，进而引发火灾或爆炸，给人们的生命财产安全带来严重威胁。

充电桩安全问题的频发引起了广泛关注，特别是温度控制、电路短路、电压波动等问题可能导致严重后果的监测和处理显得尤为重要。因此，急需一种可靠的监测方案来及时发现温度异常情况，以保障充电过程的安全稳定。

为了保障用电安全，我们需要实时监控充电桩各处的温度，当发现温度异常时，迅速采取措施，如切断供电电路、发出告警并及时上报至云端等。针对充电桩温度检测的需求，敏源传感开发和优化了温度传感芯片（为了适配不同用户要求，敏源温度芯片拥有多种可选封装，详见后附选型表，方便用户选型设计，文中以SOT23封装的M1601B为例介绍）用以实现充电桩、充电枪接口以及电车电池仓内的实时温度监测。这项技术不仅能够及时检测温度异常，还具备超高温报警和集成快速断电等功能，有效地预防了车辆设备起火自燃的风险。

通过敏源传感M1601B温度传感芯片的应用，我们能够实现对充电桩及充电枪温度的全面监测，及时发现并应对温度异常情况，从而保障了充电过程的安全稳定性。同时，该技术的高效应用也为新能源车辆的发展提供了可靠保障，推动了新能源汽车行业的持续发展。

 

 

图 1 充电桩及充电枪实物图

温度传感器安装位置

敏源温度传感器芯片可安装于充电桩和充电枪内部的关键位置，如充电电源、充电线路和电池连接器等，以实时监测这些部件的温度。每个传感器均配备唯一编码，可通过读取编码区分不同传感器，进而获取各个区域的温度数据。

 

 

图 2 传感器安装在充电枪/充电桩的位置

1．充电桩内IGBT模块的温度检测
2．充电桩接线座的温度检测
3．充电枪接线端子的温度检测
4．充电枪接线口的温度检测

 

 

图 3 家用充电枪温度传感器安装位置

敏源温度传感器特性

敏源数字温度传感器其感温原理基于CMOS半导体PN节温度与带隙电压的特性关系，经过小信号放大、模数转换、数字校准补偿后，通过数字总线输出。该传感器具有精度高、功耗低、一致性好、测温速度快、可编程配置灵活、寿命长等优点。此外，传感器还具备抗击8kV接触放电和15kV非接触放电的能力，具有出色的稳定性和耐用性。

主要优点如下：

1.高精度： 数字温度传感器芯片具有较高的测量精度和稳定性，精度可达到±0.5℃，能够提供精确的温度测量结果。

2.广泛测温范围： 能够覆盖广泛的测温范围，从-70℃到+150℃，满足多种应用场景的需求。

3.高可靠性： 敏源温度传感器采用固态传感器技术，无活动部件，不易损坏或失效，通过ESD、老化试验等测试，保证了其可靠性。*

4.低功耗： 数字温度传感器芯片通常具有低功耗特性，适用于对电力消耗有限制的场合，例如便携式设备、无线传感网络等。

5.快速响应： 可以实现快速响应温度变化，提高了温度监测的实时性和准确性。

6.高线性： 温度呈线性关系，具有一致性好的特点。

7.支持用户空间： 内置EEPROM，可以方便地存储用户数据，提供了灵活性和便利性。

8.支持级联组网： 单总线支持一条总线多点级联组网，方便系统的扩展和管理。

 

*备注：

JEDEC JESD22-A113I-2020《非密封表面安装器件在可靠性试验前的预处理（PC）》
JEDEC JESD22-A110E-2015《高加速温湿度应力测试（HAST）》 
JESD22-A108F-2017《温度、偏置和工作寿命》高温工作寿命试验（HLOT）
SI/ESDA/JEDEC JS001-2017《静电放电敏感度测试-人体模型（ HBM）-组件级》
ANSI/ESDA/JEDEC JS001-2017 《 For Electrostatic Discharge Sensitivity Testing Human Body Model (HBM) Component Level人体模型静电放电敏感性测试-元器件等级》
JESD78E 《IC Latch-Up Test》 （集成电路闩锁测试）
ESDA/JEDEC JS-002-2014《Orion CDM(N-CDM)》

 

与NTC传感器技术对比

NTC热敏电阻通常由金属氧化物制成，主要成分包括锰、钴、镍和铜等金属。这些金属氧化物通过陶瓷工艺制造而成。与锗、硅等半导体材料类似，这些金属氧化物在导电方式上表现出一致性。当温度较低时，这些氧化物材料的载流子（电子和空穴）数目较少，因此其电阻较高；而在温度升高时，氧化物材料的载流子数目增多，导致其电阻降低。

1.非线性特性： NTC热敏电阻的阻值随温度变化呈非线性关系，这意味着在一定温度范围内，温度变化对应的阻值变化并不是线性的。这种非线性特性可能使得在一些应用场景下需要进行更复杂的校准和补偿。

2.温度响应时间较长： 由于热敏电阻本身的热容性较大，其温度响应时间相对较长。这意味着在温度发生变化时，热敏电阻的阻值变化需要一定的时间才能达到稳定状态，因此可能会导致温度监测的实时性不高。

3.模拟输出： NTC热敏电阻通常具有模拟输出，这意味着需要使用模拟电路来将其输出信号转换为数字信号进行处理。相比于数字输出的传感器，这增加了数据采集和处理的复杂性，可能需要额外的模拟电路设计和调试。

4.采集电路复杂： 由于NTC热敏电阻的非线性特性，其输出信号需要进行转换和校准，以确保准确的温度测量。因此，设计用于采集和处理这些信号的电路可能会更加复杂，需要更多的器件和技术支持。

5.温度范围受限： 虽然NTC热敏电阻在一定范围内可以提供较高的精度和灵敏度，但其可靠工作范围受到限制。在极端温度条件下，例如超低温或超高温环境，热敏电阻可能会失去准确性和稳定性。

6.温度漂移： NTC热敏电阻的阻值随时间和使用条件的变化而发生漂移。这种温度漂移可能由于材料老化、电路老化、环境条件变化等因素引起，导致温度测量的不准确性和稳定性下降。

7.外部环境影响： NTC热敏电阻对外部环境的影响较为敏感。例如，受到湿度、化学气体、机械振动等因素的影响，可能会导致热敏电阻的性能发生变化，从而影响温度测量的准确性和稳定性。

8.不支持多点互联： 由于NTC热敏电阻通常是单个传感器，而不是多点测量系统，因此不支持多点互联。这意味着在需要同时监测多个位置或多个温度的应用中，可能需要使用多个单独的传感器，增加了系统的复杂性和成本。

9.成本高： 尽管NTC热敏电阻在一些应用中具有较高的性价比，但由于其需要复杂的采集电路、较长的响应时间以及其他限制，其总体成本可能会相对较高。特别是在需要高精度、高可靠性和大范围温度测量的应用中，可能需要更昂贵的器件和系统设计，进一步增加了成本。

10.不支持用户空间、多点互联等高级功能：由于NTC热敏电阻式单个无源器件，其无法支持高级功能。

硬件参考设计

敏源M1601B温度传感芯片支持寄生供电模式，即传感器通过单一数据线接收来自主控器的命令和电源信号，并利用这些能量来进行温度测量。下图为典型电路。

 

 

图 4 应用于充电桩测温方案原理图

在寄生供电模式下，M1601B采用两线应用模式，即通过DQ和GND两根线与主机进行通讯。其中，R2是上拉电阻，用来为芯片供电，而C2则是储能电容，用来储存能量。此外，R1、R3、C1构成滤波电路，用于滤除信号中的噪声。

为了提高系统的稳定性和可靠性，电路中还包括了一组对称放置的肖特基二极管D2和D5，以及TVS管D1和D3，构成了保护电路，有效防止了线缆上的静电和浪涌现象对系统的损害。此外，D6放置在温度传感器芯片附近，作为防护器件，能够防止大地上的异常电压波动对传感器芯片造成损伤。

以下是外围相关器件的规格清单。

 

位号	料号	规格	品牌
D1	SMAJ5.0A	反向截止电压：5V 最大钳位电压：9.2V 峰值脉冲电流：43.48A 击穿电压：6.4V	MSKSEMI(美森科)
D3	SMBJ7.0A	反向截止电压：7V 最大钳位电压：12V 峰值脉冲电流：50A 击穿电压：7.78V	KUU
D2，D5	BAV99-SOT23	正向压降：150mA 直流反向耐压：85V 平均整流电流：75mA 反向电流：2uA@75V 反向恢复时间：4ns	CBI(创基)
D4	1N5819WS SD103AWS	肖特基二极管 正向压降为0.3~0.4V	JSMSEMI(杰盛微) Hottech(合科泰)
D6	SS115F	开启电压为0.7V导通电流1A	CJ(江苏长电/长晶)
C2	CL21A225KBONNNE	0805-2.2uF-50V-X7R-10%	三星

 

                                                               表格 1相关外围器件清单列表

注：在实际应用中，滤波电路的电阻和电容的具体参数受线缆、接插件的影响，可能需要根据实际情况进行调整。

 

敏源温度传感芯片选型

从成本考虑，可以选择精度为±0.5℃的温度芯片。

 

芯片型号	接口	典型精度	分辨率	工作范围	功耗(1Hz)	封装	说明
MY18B20系列	单总线	±0.5℃	12bit, 0.0625℃	-55~+125℃	测温平均 电流5μA	TO-92 /TO-92L /SOP8 /MSOP8	——
M1601B /M601B	单总线	±0.5℃	16bit, 0.004℃	-70~+150℃	测温平均 电流5.2μA	SOT23 /DFN8	DFN8有报警引脚
T117B	单总线/IIC	±0.5℃	16bit, 0.004℃	-103~+153℃	待机电流0.01uA/ 测温平均 电流2uA	DFN6L	有报警引脚， 两线应用可省去图2中二极管D4。

 

                                                               表格 2 敏源温度传感芯片选型表