电流隔离增强EV/HEV安全、性能和可靠性

隔离产品线总经理

Silicon Labs

虽然电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)技术仍然处于一个渐进的发展阶段，但是对于烃类燃料的长期供应和对环境问题的关注，成为新兴汽车市场加快创新步伐的动力。EV/HEV承诺更高效率、降低排放，并提供与烃动力汽车相当的价格和性能。为了与现有汽车竞争，用于EV/HEV的电池必须具有非常高的能量存储密度、接近零的泄漏电流和几分钟(而不是几小时)内完成充电的能力。此外，电池管理和相关能量转换系统必须具有最小的尺寸、重量以及电流消耗，同时为电动马达提供大量高效能量。

现代EV/HEV设计在传动系统和能量存储/转换系统中采用模块化组件。EV/HEV电池管理系统通常包括五个主要电路部件：

* 车载充电器：能量存储由400~450V锂离子电池提供，此电池依靠车载充电器充电；车载充电器由具有功率因数校正(PFC)的AC/DC变换器组成，并由电池管理系统(BMS)监视。该充电器可适应各种外部充电电源，范围从单相交流110V到三相交流380V。

* 电池管理系统：电池单元由BMS监控和管理，以确保高效率和安全性。BMS监控各个电池单元的充电、状态、放电深度和调节度。

* DC/DC变换器：DC/DC变换器连接高压电池到内部12V DC网络，同时为车内配件提供电能，以及为本地开关变换器提供偏置电压。该变换器通常是可逆的，电能可以流入或流出电池。

* 辅助逆变器：现代汽车利用皮带来驱动引擎配件，例如空调和动力转向泵。EV/HEV需要辅助逆变器生成所需的电能去驱动这些配件。

* 主逆变器：主逆变器驱动电动机，也用于再生制动，把未使用的电能回存到电池。

图1：EV/HEV主要电子部件安装位置。

电流隔离

模块化的EV/HEV电路部件具有固定的和浮动的地，在模块、本地(可能是致命的)电池和供电电压之间有不同的电压。鉴于这些情况，在电动和混合动力汽车设计中，电流隔离极为必要。

什么是电流隔离，他在电气系统设计中扮演什么样的角色？电流隔离把电气系统的不同功能区分隔开，以阻止功能区间的电流流动，同时允许能量或信息在功能区间进行交换。图2A使用简单的隔离型数据交换示例来说明这个概念，数据在电路A和电路B之间交换。专用的偏压电源VDD1和VDD2在隔离器两侧，分别提供5V电源。5V地参考脉冲序列从电路A输入端输入，然后被如实的传输到隔离器的输出端，在传输期间任意时间内没有电流流过GND1和GND2之间。换言之，GND1和GND2之间的阻抗有效形成了开路状态，而且数据按照电流隔离定义的形式成功的在两个绝缘电路间进行传输。

隔离为EV/HEV设计提供三个重要的电路功能：安全隔离、电压电平转换和地噪音抑制。安全隔离保护电气系统和人员免受致命高压造成的伤害。图2B显示安全隔离、电平转换和电平传输示例。如图所示，电路A具有1,000V的悬浮共模电压，0~25V数字输入信号跨越隔离栅传输到电路B。因为电路B由5V地参考供电，隔离器把1,000V共模电压电平转换到GND2电平(0V)。示例显示已提供安全隔离，因为1,000V输入侧共模电压由电平转换到0V输出。需要注意的是25V输入信号在隔离器的输出侧转换成VDD2(5V)电压电平。

图2A：基本的隔离示例。

图2B：共模电压示例。

图2C：低噪声抑制示例。

图2C显示隔离如何减少或完全消除地噪声。如图上侧所示，5V信号源在一条长长的高寄生电感PCB导线上传输信号，导致地噪声干扰。如图下侧所示，添加的隔离器大大缩短本地有效接地长度，从而抑制地噪声。

数字隔离器的各种好处能够通过不同的组合方式使用，使EV/HEV电气系统更加安全可靠。图3中主逆变器模块图显示隔离器的使用位置。隔离在高压电动机驱动和相电流及电压测量电路中的电压控制器之间，提供了安全隔离、电平转换和电压传输。同样的，隔离驱动器在驱动器和高压电动驱动电路之间也提供类似功能。隔离的DC/DC变换器在反馈环路中使用线性安全隔离，确保电源主级侧和次级侧间没有电流流动，消除了高压击穿的可能性，并解决漏电到低压电路的问题。最后，传感器之间使用线性或数字隔离器，以确保安全性、电平转换、电压传输，并且消除可能的地环路噪声。

图3：主逆变器中的隔离。

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EV/HEV中的开关电源

开关模式功率变换器是EV/HEV系统的重要组成部分，其广泛用于主要和辅助逆变器、12V网络DC/DC变换器和电池充电器。以上变换器可以转换电压和电流，以满足供电之装置的需求，并使用隔离实现安全性和电平转换。

图4显示电池充电器内部的AC/DC变换器，其输入电压由外部基础设施提供，例如充电站。如图所示，充电器的AC输入直接由输入整流器和滤波器变换成DC，并经过功率因数校正(PFC)电路调节。调节后的DC电压由主级侧开关电路转换成脉冲，并应用到变压器的主级线圈。变压器缩放电压和电流脉冲以满足充电器的输出需求。次级侧电路整流并且滤波高频脉冲，再转换成DC。

功率控制管理闭环操作并监视传输到电池中的电量，直到电池充满电为止。在这个示例中隔离组件可提供几个重要的功能：变压器在主级侧和次级侧隔离能量传输；线性隔离器为电流传感器、高压检测和反馈控制信号提供安全的隔离电平转换；以及数字隔离器为控制器区域网络(CAN)总线接口提供安全隔离。

图4：DC/DC(12V网络)变换器。

图5显示在简化的HEV系统中，隔离器件的位置和使用方法。HEV提出比EV更困难的技术挑战，因为其在传动系统中添加复杂的小型气动引擎，增加了机械传动系统和电子系统的复杂性。需要注意的是图4中气动引擎由专用引擎控制模块(ECM)管理，包括隔离的CAN总线接口，其使用相关的低压HV ECU管理引擎速率、时序和其他关键参数。还需要注意的是，电动机/发生器(M/G)温度传感器为了安全性和电平兼容，对传感器地和HV ECU地进行隔离。此外，主要和辅助逆变器、充电器以及12V网络DC/DC变换器，他们都与另一个不同地电平或存在高压的装置进行了有效隔离。

图5：简化的HEV电气系统结构图。

增强系统集成度

EV/HEV设计要求持续不断的减少汽车重量、改善电池技术和提高能量转换系统的能力。这些进步又促进开关模式电源拓扑结构和大规模系统级IC的创新。虽然现代CMOS隔离装置提供了增强性能，但是数字隔离器的最大好处在于，能够与其他功能相结合，形成单芯片隔离系统。

隔离器件在EV/HEV应用中无处不在，并且与汽车和操作人员的安全息息相关。此类器件能提供安全隔离、无缝电平转换，并且消除地噪声，从而大大增强汽车的性能和可靠性。