概述

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

然而，近年來充電樁起火爆炸、車輛充電中自燃等事故頻頻發(fā)生，引發(fā)了人們對新能源汽車、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。充電過程中溫度控制不當(dāng)可能導(dǎo)致電池過熱，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)或爆炸，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。

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

為了保障用電安全，我們需要實時監(jiān)控充電樁各處的溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時，迅速采取措施，如切斷供電電路、發(fā)出告警并及時上報至云端等。針對充電樁溫度檢測的需求，敏源傳感開發(fā)和優(yōu)化了溫度傳感芯片（為了適配不同用戶要求，敏源溫度芯片擁有多種可選封裝，詳見后附選型表，方便用戶選型設(shè)計。文中以SOT23封裝的M1601B為例介紹）用以實現(xiàn)充電樁、充電槍接口以及電車電池倉內(nèi)的實時溫度監(jiān)測。這項技術(shù)不僅能夠及時檢測溫度異常，還具備超高溫報警和集成快速斷電等功能，有效地預(yù)防了車輛設(shè)備起火自燃的風(fēng)險。

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

圖 1 充電樁及充電槍實物圖

溫度傳感器安裝位置

敏源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、充電線路和電池連接器等，以實時監(jiān)測這些部件的溫度。每個傳感器均配備唯一編碼，可通過讀取編碼區(qū)分不同傳感器，進(jìn)而獲取各個區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

圖 2 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

2．充電樁接線座的溫度檢測

3．充電槍接線端子的溫度檢測

4．充電槍接線口的溫度檢測

圖 3 家用充電槍溫度傳感器安裝位置

敏源溫度傳感器特性

敏源數(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)過小信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字校準(zhǔn)補(bǔ)償后，通過數(shù)字總線輸出。該傳感器具有精度高、功耗低、一致性好、測溫速度快、可編程配置靈活、壽命長等優(yōu)點。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)點如下：

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

2. 廣泛測溫范圍：能夠覆蓋廣泛的測溫范圍，從-70℃到+150℃，滿足多種應(yīng)用場景的需求。

3. 高可靠性： 敏源溫度傳感器采用固態(tài)傳感器技術(shù)，無活動部件，不易損壞或失效，通過ESD、老化試驗等測試，保證了其可靠性。*

4. 低功耗： 數(shù)字溫度傳感器芯片通常具有低功耗特性，適用于對電力消耗有限制的場合，例如便攜式設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。

5. 快速響應(yīng)： 可以實現(xiàn)快速響應(yīng)溫度變化，提高了溫度監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性。

6. 高線性： 溫度呈線性關(guān)系，具有一致性好的特點。

7. 支持用戶空間： 內(nèi)置EEPROM，可以方便地存儲用戶數(shù)據(jù)，提供了靈活性和便利性。

8. 支持級聯(lián)組網(wǎng)：單總線支持一條總線多點級聯(lián)組網(wǎng)，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和管理。

* 備注：

JEDEC JESD22-A113I-2020《非密封表面安裝器件在可靠性試驗前的預(yù)處理（PC）》

JEDEC JESD22-A110E-2015《高加速溫濕度應(yīng)力測試（HAST）》 

JESD22-A108F-2017《溫度、偏置和工作壽命》高溫工作壽命試驗（HLOT）

SI/ESDA/JEDEC JS001-2017《靜電放電敏感度測試-人體模型（ HBM）-組件級》

ANSI/ESDA/JEDEC JS001-2017 《 For Electrostatic Discharge Sensitivity Testing Human Body Model (HBM) Component Level人體模型靜電放電敏感性測試-元器件等級》

JESD78E 《IC Latch-Up Test》 （集成電路閂鎖測試）

ESDA/JEDEC JS-002-2014《Orion CDM(N-CDM)》

與NTC傳感器技術(shù)對比

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陶瓷工藝制造而成。與鍺、硅等半導(dǎo)體材料類似，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，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，氧化物材料的載流子數(shù)目增多，導(dǎo)致其電阻降低。

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

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

3. 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將其輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(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)計和調(diào)試。

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

5. 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，熱敏電阻可能會失去準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

6. 溫度漂移：NTC熱敏電阻的阻值隨時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)致溫度測量的不準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性下降。

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

8. 不支持多點互聯(lián)：由于NTC熱敏電阻通常是單個傳感器，而不是多點測量系統(tǒng)，因此不支持多點互聯(lián)。這意味著在需要同時監(jiān)測多個位置或多個溫度的應(yīng)用中，可能需要使用多個單獨的傳感器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

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

10. 不支持用戶空間、多點互聯(lián)等高級功能：由于NTC熱敏電阻式單個無源器件，其無法支持高級功能。

硬件參考設(shè)計

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

圖 4 應(yīng)用于充電樁測溫方案原理圖

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

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稱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，有效防止了線纜上的靜電和浪涌現(xiàn)象對系統(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對傳感器芯片造成損傷。

以下是外圍相關(guān)器件的規(guī)格清單。

表格 1相關(guān)外圍器件清單列表

注：在實際應(yīng)用中，濾波電路的電阻和電容的具體參數(shù)受線纜、接插件的影響，可能需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

敏源溫度傳感芯片選型

從成本考慮，可以選擇精度為±0.5℃的溫度芯片。

表格 2 敏源溫度傳感芯片選型表