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作者：Silicon Labs隔離產品線總經理Don Alfano 雖然電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)技術仍然處于一個漸進的發(fā)展階段，但是對于烴類燃料的長期供應和對環(huán)境問題的關注，成為新興汽車市場加快創(chuàng)新步伐的動力。EV/HEV承諾更高效率、降低排放，并提供與烴動力汽車相當?shù)膬r格和性能。為了與現(xiàn)有汽車競爭，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)內完成充電的能力。此外，電池管理和相關能量轉換系統(tǒng)必須具有最小的尺寸、重量以及電流消耗，同時為電動馬達提供大量高效能量。 現(xiàn)代EV/HEV設計在傳動系統(tǒng)和能量存儲/轉換系統(tǒng)中采用模塊化組件。EV/HEV電池管理系統(tǒng)通常包括五個主要電路部件： * 車載充電器：能量存儲由400~450V鋰離子電池提供，此電池依靠車載充電器充電；車載充電器由具有功率因數(shù)校正(PFC)的AC/DC變換器組成，并由電池管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)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(tǒng)：電池單元由BMS監(jiān)控和管理，以確保高效率和安全性。BMS監(jiān)控各個電池單元的充電、狀態(tài)、放電深度和調節(jié)度。 * DC/DC變換器：DC/DC變換器連接高壓電池到內部12V DC網絡，同時為車內配件提供電能，以及為本地開關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(xiàn)代汽車利用皮帶來驅動引擎配件，例如空調和動力轉向泵。EV/HEV需要輔助逆變器生成所需的電能去驅動這些配件。 * 主逆變器：主逆變器驅動電動機，也用于再生制動，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，在電動和混合動力汽車設計中，電流隔離極為必要。 什么是電流隔離，他在電氣系統(tǒng)設計中扮演什么樣的角色？電流隔離把電氣系統(tǒng)的不同功能區(qū)分隔開，以阻止功能區(qū)間的電流流動，同時允許能量或信息在功能區(qū)間進行交換。圖2A使用簡單的隔離型數(shù)據交換示例來說明這個概念，數(shù)據在電路A和電路B之間交換。專用的偏壓電源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，然后被如實的傳輸?shù)礁綦x器的輸出端，在傳輸期間任意時間內沒有電流流過GND1和GND2之間。換言之，GND1和GND2之間的阻抗有效形成了開路狀態(tài)，而且數(shù)據按照電流隔離定義的形式成功的在兩個絕緣電路間進行傳輸。 隔離為EV/HEV設計提供三個重要的電路功能：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(tǒng)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(shù)字輸入信號跨越隔離柵傳輸?shù)诫娐稡。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信號源在一條長長的高寄生電感PCB導線上傳輸信號，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度，從而抑制地噪聲。 數(shù)字隔離器的各種好處能夠通過不同的組合方式使用，使EV/HEV電氣系統(tǒng)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。隔離在高壓電動機驅動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，隔離驅動器在驅動器和高壓電動驅動電路之間也提供類似功能。隔離的DC/DC變換器在反饋環(huán)路中使用線性安全隔離，確保電源主級側和次級側間沒有電流流動，消除了高壓擊穿的可能性，并解決漏電到低壓電路的問題。最后，傳感器之間使用線性或數(shù)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中的開關電源 開關模式功率變換器是EV/HEV系統(tǒng)的重要組成部分，其廣泛用于主要和輔助逆變器、12V網絡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，以滿足供電之裝置的需求，并使用隔離實現(xiàn)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，并經過功率因數(shù)校正(PFC)電路調節(jié)。調節(jié)后的DC電壓由主級側開關電路轉換成脈沖，并應用到變壓器的主級線圈。變壓器縮放電壓和電流脈沖以滿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(jiān)視傳輸?shù)诫姵刂械碾娏�，直到電池充滿電為止。在這個示例中隔離組件可提供幾個重要的功能：變壓器在主級側和次級側隔離能量傳輸；線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(shù)字隔離器為控制器區(qū)域網絡(CAN)總線接口提供安全隔離。
圖4：DC/DC(12V網絡)變換器。 圖5顯示在簡化的HEV系統(tǒng)中，隔離器件的位置和使用方法。HEV提出比EV更困難的技術挑戰(zhàn)，因為其在傳動系統(tǒng)中添加復雜的小型氣動引擎，增加了機械傳動系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的復雜性。需要注意的是圖4中氣動引擎由專用引擎控制模塊(ECM)管理，包括隔離的CAN總線接口，其使用相關的低壓HV ECU管理引擎速率、時序和其他關鍵參數(shù)。還需要注意的是，電動機/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地進行隔離。此外，主要和輔助逆變器、充電器以及12V網絡DC/DC變換器，他們都與另一個不同地電平或存在高壓的裝置進行了有效隔離。
圖5：簡化的HEV電氣系統(tǒng)結構圖。 增強系統(tǒng)集成度 EV/HEV設計要求持續(xù)不斷的減少汽車重量、改善電池技術和提高能量轉換系統(tǒng)的能力。這些進步又促進開關模式電源拓撲結構和大規(guī)模系統(tǒng)級IC的創(chuàng)新。雖然現(xiàn)代CMOS隔離裝置提供了增強性能，但是數(shù)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(tǒng)。 隔離器件在EV/HEV應用中無處不在，并且與汽車和操作人員的安全息息相關。此類器件能提供安全隔離、無縫電平轉換，并且消除地噪聲，從而大大增強汽車的性能和可靠性。 |
