Design and simulation of a solid-state power switch for 48 V li-ion battery applications

Abstract

High-power traction batteries are becoming ever more common due to stricter emission regulations and vehicle electrification trend. The lithium-ion cell technology is governing market leader over the wide range of traction battery applications. One of the main challenges with lithium-ion based technology has been the operational safety of the battery cells. In high power applications, electromechanical contactor is typically used to connect and disconnect the battery from the load. Some of the challenges associated with conventional contactors are the switching speed, arcing and component reliability. A solid-state power switch examined in this work, is designed for integrated 48 V high-power li-ion battery system. The work examines the solid-state battery switch for normal on-state performance, fault current interruptions and effects of different load inductances. Moreover, circuit sensitivity to parasitic inductance, transient current imbalance and semiconductor parameter mismatch has been investigated. The simulation results indicate that 48 V high-power li-ion battery system technical requirements can be met with simple silicon MOSFET based power electronic switch. One of the main concerns in the design is the power MOSFET’s limited ability to withstand large instantaneous avalanche currents. The results also indicate that the power switch design endures the collapsing magnetic field energy associated with the load inductance. The objectives of this work were achieved with high utilization rate and low total number of devices.

Suuritehoiset voimansiirtoakut ovat yleistymässä tiukentuvien päästömääräysten ja ajoneuvojen sähköistymiskehityksen vuoksi. Litiumionikennoteknologiasta on tullut markkinajohtaja monenlaisissa suurtehoa vaativissa voimansiirtosovelluksissa. Yksi litiumionipohjaisen teknologian suurimmista haasteista on ollut kennojen käyttöturvallisuus. Suuritehoisissa sovelluksissa akun kytkeminen ja irrottaminen kuormasta tehdään tyypillisesti sähkömekaanisen kontaktorin avulla. Eräitä sähkömekaanisiin kontaktoreihin liittyviä haasteita ovat kuitenkin kytkentänopeus, valokaari-ilmiö sekä sähkömekaanisten komponenttien luotettavuus. Tässä työssä tarkasteltu puolijohdetehokytkin on suunniteltu 48 V jännitteellä toimivaan suuritehoiseen litiumioniakkujärjestelmään. Työssä tarkastellaan akkukytkimen toimintaa normaalitilassa, vikavirtakatkoksien aikana sekä erisuuruisten kuormainduktanssien vaikutuksia. Lisäksi tutkitaan kytkinpiirien herkkyyttä hajainduktans-seille, transienttivirran epätasapainolle sekä puolijohdeparametrien hajonnalle. Saadut simulointitulokset osoittavat, että 48 V:n suurtehoakkujärjestelmälle asetetut tekniset vaatimukset voidaan toteuttaa yksinkertaisilla pii-MOSFET teknologiaan perustuvilla puolijohdetehokytkimillä. Yksi suurimmista huolenaiheista kuitenkin on MOSFET kytkimien rajallinen kyky kestää suuria avalanche-tilan virtoja. Tulokset myös osoittavat, että tehokytkinyksikkö kykenee absorboimaan kuormainduktansseista vapautuvan ylimääräisen jäännösenergian. Tämän työn tavoitteet saavutettiin MOSFET kytkimien korkealla käyttöasteella sekä pienellä puolijohdekomponenttien kokonaismäärällä.