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作者：Silicon Labs隔離產(chǎn)品線(xiàn)總經(jīng)理Don Alfano 雖然電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)技術(shù)仍然處于一個(gè)漸進(jìn)的發(fā)展階段，但是對于烴類(lèi)燃料的長(cháng)期供應和對環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，成為新興汽車(chē)市場(chǎng)加快創(chuàng )新步伐的動(dòng)力。EV/HEV承諾更高效率、降低排放，并提供與烴動(dòng)力汽車(chē)相當的價(jià)格和性能。為了與現有汽車(chē)競爭，用于EV/HEV的電池必須具有非常高的能量存儲密度、接近零的泄漏電流和幾分鐘(而不是幾小時(shí))內完成充電的能力。此外，電池管理和相關(guān)能量轉換系統必須具有最小的尺寸、重量以及電流消耗，同時(shí)為電動(dòng)馬達提供大量高效能量。 現代EV/HEV設計在傳動(dòng)系統和能量存儲/轉換系統中采用模塊化組件。EV/HEV電池管理系統通常包括五個(gè)主要電路部件： * 車(chē)載充電器：能量存儲由400~450V鋰離子電池提供，此電池依靠車(chē)載充電器充電；車(chē)載充電器由具有功率因數校正(PFC)的AC/DC變換器組成，并由電池管理系統(BMS)監視。該充電器可適應各種外部充電電源，范圍從單相交流110V到三相交流380V。 * 電池管理系統：電池單元由BMS監控和管理，以確保高效率和安全性。BMS監控各個(gè)電池單元的充電、狀態(tài)、放電深度和調節度。 * DC/DC變換器：DC/DC變換器連接高壓電池到內部12V DC網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)為車(chē)內配件提供電能，以及為本地開(kāi)關(guān)變換器提供偏置電壓。該變換器通常是可逆的，電能可以流入或流出電池。 * 輔助逆變器：現代汽車(chē)利用皮帶來(lái)驅動(dòng)引擎配件，例如空調和動(dòng)力轉向泵。EV/HEV需要輔助逆變器生成所需的電能去驅動(dòng)這些配件。 * 主逆變器：主逆變器驅動(dòng)電動(dòng)機，也用于再生制動(dòng)，把未使用的電能回存到電池。 
圖1：EV/HEV主要電子部件安裝位置。 電流隔離 模塊化的EV/HEV電路部件具有固定的和浮動(dòng)的地，在模塊、本地(可能是致命的)電池和供電電壓之間有不同的電壓。鑒于這些情況，在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)設計中，電流隔離極為必要。 什么是電流隔離，他在電氣系統設計中扮演什么樣的角色？電流隔離把電氣系統的不同功能區分隔開(kāi)，以阻止功能區間的電流流動(dòng)，同時(shí)允許能量或信息在功能區間進(jìn)行交換。圖2A使用簡(jiǎn)單的隔離型數據交換示例來(lái)說(shuō)明這個(gè)概念，數據在電路A和電路B之間交換。專(zhuān)用的偏壓電源VDD1和VDD2在隔離器兩側，分別提供5V電源。5V地參考脈沖序列從電路A輸入端輸入，然后被如實(shí)的傳輸到隔離器的輸出端，在傳輸期間任意時(shí)間內沒(méi)有電流流過(guò)GND1和GND2之間。換言之，GND1和GND2之間的阻抗有效形成了開(kāi)路狀態(tài)，而且數據按照電流隔離定義的形式成功的在兩個(gè)絕緣電路間進(jìn)行傳輸。 隔離為EV/HEV設計提供三個(gè)重要的電路功能：安全隔離、電壓電平轉換和地噪音抑制。安全隔離保護電氣系統和人員免受致命高壓造成的傷害。圖2B顯示安全隔離、電平轉換和電平傳輸示例。如圖所示，電路A具有1,000V的懸浮共模電壓，0~25V數字輸入信號跨越隔離柵傳輸到電路B。因為電路B由5V地參考供電，隔離器把1,000V共模電壓電平轉換到GND2電平(0V)。示例顯示已提供安全隔離，因為1,000V輸入側共模電壓由電平轉換到0V輸出。需要注意的是25V輸入信號在隔離器的輸出側轉換成VDD2(5V)電壓電平。
圖2A：基本的隔離示例。
圖2B：共模電壓示例。
圖2C：低噪聲抑制示例。 圖2C顯示隔離如何減少或完全消除地噪聲。如圖上側所示，5V信號源在一條長(cháng)長(cháng)的高寄生電感PCB導線(xiàn)上傳輸信號，導致地噪聲干擾。如圖下側所示，添加的隔離器大大縮短本地有效接地長(cháng)度，從而抑制地噪聲。 數字隔離器的各種好處能夠通過(guò)不同的組合方式使用，使EV/HEV電氣系統更加安全可靠。圖3中主逆變器模塊圖顯示隔離器的使用位置。隔離在高壓電動(dòng)機驅動(dòng)和相電流及電壓測量電路中的電壓控制器之間，提供了安全隔離、電平轉換和電壓傳輸。同樣的，隔離驅動(dòng)器在驅動(dòng)器和高壓電動(dòng)驅動(dòng)電路之間也提供類(lèi)似功能。隔離的DC/DC變換器在反饋環(huán)路中使用線(xiàn)性安全隔離，確保電源主級側和次級側間沒(méi)有電流流動(dòng)，消除了高壓擊穿的可能性，并解決漏電到低壓電路的問(wèn)題。最后，傳感器之間使用線(xiàn)性或數字隔離器，以確保安全性、電平轉換、電壓傳輸，并且消除可能的地環(huán)路噪聲。
圖3：主逆變器中的隔離。 EV/HEV中的開(kāi)關(guān)電源 開(kāi)關(guān)模式功率變換器是EV/HEV系統的重要組成部分，其廣泛用于主要和輔助逆變器、12V網(wǎng)絡(luò )DC/DC變換器和電池充電器。以上變換器可以轉換電壓和電流，以滿(mǎn)足供電之裝置的需求，并使用隔離實(shí)現安全性和電平轉換。 圖4顯示電池充電器內部的AC/DC變換器，其輸入電壓由外部基礎設施提供，例如充電站。如圖所示，充電器的AC輸入直接由輸入整流器和濾波器變換成DC，并經(jīng)過(guò)功率因數校正(PFC)電路調節。調節后的DC電壓由主級側開(kāi)關(guān)電路轉換成脈沖，并應用到變壓器的主級線(xiàn)圈。變壓器縮放電壓和電流脈沖以滿(mǎn)足充電器的輸出需求。次級側電路整流并且濾波高頻脈沖，再轉換成DC。 功率控制管理閉環(huán)操作并監視傳輸到電池中的電量，直到電池充滿(mǎn)電為止。在這個(gè)示例中隔離組件可提供幾個(gè)重要的功能：變壓器在主級側和次級側隔離能量傳輸；線(xiàn)性隔離器為電流傳感器、高壓檢測和反饋控制信號提供安全的隔離電平轉換；以及數字隔離器為控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)總線(xiàn)接口提供安全隔離。
圖4：DC/DC(12V網(wǎng)絡(luò ))變換器。 圖5顯示在簡(jiǎn)化的HEV系統中，隔離器件的位置和使用方法。HEV提出比EV更困難的技術(shù)挑戰，因為其在傳動(dòng)系統中添加復雜的小型氣動(dòng)引擎，增加了機械傳動(dòng)系統和電子系統的復雜性。需要注意的是圖4中氣動(dòng)引擎由專(zhuān)用引擎控制模塊(ECM)管理，包括隔離的CAN總線(xiàn)接口，其使用相關(guān)的低壓HV ECU管理引擎速率、時(shí)序和其他關(guān)鍵參數。還需要注意的是，電動(dòng)機/發(fā)生器(M/G)溫度傳感器為了安全性和電平兼容，對傳感器地和HV ECU地進(jìn)行隔離。此外，主要和輔助逆變器、充電器以及12V網(wǎng)絡(luò )DC/DC變換器，他們都與另一個(gè)不同地電平或存在高壓的裝置進(jìn)行了有效隔離。
圖5：簡(jiǎn)化的HEV電氣系統結構圖。 增強系統集成度 EV/HEV設計要求持續不斷的減少汽車(chē)重量、改善電池技術(shù)和提高能量轉換系統的能力。這些進(jìn)步又促進(jìn)開(kāi)關(guān)模式電源拓撲結構和大規模系統級IC的創(chuàng )新。雖然現代CMOS隔離裝置提供了增強性能，但是數字隔離器的最大好處在于，能夠與其他功能相結合，形成單芯片隔離系統。 隔離器件在EV/HEV應用中無(wú)處不在，并且與汽車(chē)和操作人員的安全息息相關(guān)。此類(lèi)器件能提供安全隔離、無(wú)縫電平轉換，并且消除地噪聲，從而大大增強汽車(chē)的性能和可靠性。 |
