電流隔離增強(qiáng)EV/HEV安全、性能和可靠性

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(duì)于烴類(lèi)燃料的長(zhǎng)期供應(yīng)和對(duì)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(dāng)?shù)膬r(jià)格和性能。為了與現(xiàn)有汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)，用于EV/HEV的電池必須具有非常高的能量存儲(chǔ)密度、接近零的泄漏電流和幾分鐘（而不是幾小時(shí)）內(nèi)完成充電的能力。此外，電池管理和相關(guān)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(dá)提供大量高效能量。

現(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)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(gè)主要電路部件：

* 車(chē)載充電器：能量存儲(chǔ)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(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(yīng)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(gè)電池單元的充電、狀態(tài)、放電深度和調(diào)節(jié)度。

* DC/DC變換器：DC/DC變換器連接高壓電池到內(nèi)部12V DC網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為車(chē)內(nèi)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(xiàn)代汽車(chē)?yán)闷?lái)驅(qū)動(dòng)引擎配件，例如空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵。EV/HEV需要輔助逆變器生成所需的電能去驅(qū)動(dòng)這些配件。

* 主逆變器：主逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，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(shè)計(jì)中，電流隔離極為必要。

什么是電流隔離，他在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)，以阻止功能區(qū)間的電流流動(dòng)，同時(shí)允許能量或信息在功能區(qū)間進(jìn)行交換。圖2A使用簡(jiǎn)單的隔離型數(shù)據(jù)交換示例來(lái)說(shuō)明這個(gè)概念，數(shù)據(jù)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(cè)，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?shù)礁綦x器的輸出端，在傳輸期間任意時(shí)間內(nèi)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)提供三個(gè)重要的電路功能：安全隔離、電壓電平轉(zhuǎn)換和地噪音抑制。安全隔離保護(hù)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(zhuǎn)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(hào)跨越隔離柵傳輸?shù)诫娐稡.因?yàn)殡娐稡由5V地參考供電，隔離器把1,000V共模電壓電平轉(zhuǎn)換到GND2電平（0V）。示例顯示已提供安全隔離，因?yàn)?,000V輸入側(cè)共模電壓由電平轉(zhuǎn)換到0V輸出。需要注意的是25V輸入信號(hào)在隔離器的輸出側(cè)轉(zhuǎn)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(cè)所示，5V信號(hào)源在一條長(zhǎng)長(zhǎng)的高寄生電感PCB導(dǎo)線上傳輸信號(hào)，導(dǎo)致地噪聲干擾。如圖下側(cè)所示，添加的隔離器大大縮短本地有效接地長(zhǎng)度，從而抑制地噪聲。

數(shù)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(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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和相電流及電壓測(cè)量電路中的電壓控制器之間，提供了安全隔離、電平轉(zhuǎn)換和電壓傳輸。同樣的，隔離驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)器和高壓電動(dòng)驅(qū)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)路中使用線性安全隔離，確保電源主級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)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，傳感器之間使用線性或數(shù)字隔離器，以確保安全性、電平轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)換電壓和電流，以滿足供電之裝置的需求，并使用隔離實(shí)現(xiàn)安全性和電平轉(zhuǎn)換。

圖4顯示電池充電器內(nèi)部的AC/DC變換器，其輸入電壓由外部基礎(chǔ)設(shè)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(shù)校正（PFC）電路調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)后的DC電壓由主級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換成脈沖，并應(yīng)用到變壓器的主級(jí)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(jí)側(cè)電路整流并且濾波高頻脈沖，再轉(zhuǎn)換成DC.

功率控制管理閉環(huán)操作并監(jiān)視傳輸?shù)诫姵刂械碾娏浚钡诫姵爻錆M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(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)隔離能量傳輸；線性隔離器為電流傳感器、高壓檢測(cè)和反饋控制信號(hào)提供安全的隔離電平轉(zhuǎn)換；以及數(shù)字隔離器為控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線接口提供安全隔離。

圖4:DC/DC（12V網(wǎng)絡(luò)）變換器。

圖5顯示在簡(jiǎn)化的HEV系統(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(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湓趥鲃?dòng)系統(tǒng)中添加復(fù)雜的小型氣動(dòng)引擎，增加了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的復(fù)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(shù)。還需要注意的是，電動(dòng)機(jī)/發(fā)生器（M/G）溫度傳感器為了安全性和電平兼容，對(duì)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

增強(qiáng)系統(tǒng)集成度

EV/HEV設(shè)計(jì)要求持續(xù)不斷的減少汽車(chē)重量、改善電池技術(shù)和提高能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能力。這些進(jìn)步又促進(jìn)開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大規(guī)模系統(tǒng)級(jí)IC的創(chuàng)新。雖然現(xiàn)代CMOS隔離裝置提供了增強(qiáng)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(jié)合，形成單芯片隔離系統(tǒng)。

隔離器件在EV/HEV應(yīng)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(zhuǎn)換，并且消除地噪聲，從而大大增強(qiáng)汽車(chē)的性能和可靠性。