【技术干货】通过电流隔离提高EV/HEV安全性、性能和可靠性

作者:Silicon Labs市场总监Rudye McGlothlin先生

虽然电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)技术仍处于发展的进化阶段,但对长期碳氢燃料供应和环境问题的担忧为加快这一新兴汽车市场的创新步伐提供了动力。电动和混合动力汽车可以提高效率,减少排放,并最终实现与燃气动力汽车相媲美的价格和性能。为了与现有汽车竞争,EV/HEV中使用的电池必须具有非常高的能量存储密度,接近零自漏电流,并且能够在几分钟内完成充电过程,而不是几小时。此外,电池管理和相关的电力转换系统必须具有最小的尺寸和重量,并且能够有效地向电动机提供大量电力。

EV/HEV电池管理系统通常包括五个主要电路组件:

● 车载充电器:储能器由高达甚至超过400V的锂离子电池组构成,采用具有功率因数校正(PFC)的交流-直流转换器组成的车载充电器(OBC)充电,并由电池管理系统(BMS)监控。该充电器可适应各种外部充电电源,从110V单相交流电源到380V三相交流电源。

● 电池管理系统:电池单元由BMS监控和管理,以确保高效和安全。BMS控制各个电池的充电、健康状态、放电深度和调节。

● DC/DC转换器:DC/DC转换器将电池高压转换成内部12V直流,该网络也为配件提供电源并向本地开关转换器提供偏置。

● 辅助逆变器:现代汽车使用皮带驱动发动机配件,如空调和动力转向泵。EV/HEV需要辅助逆变器来产生驱动这些配件所需的电力。

● 主逆变器:主逆变器驱动电动机,也用于再生制动——将未使用的能量返回到电池。

“”
图1:EV/HEV主要电气装配位置

电流隔离

模块化EV/HEV电路组件具有固定和浮动接地、模块间不同电压以及本地(具潜在致命性)电池和电源电压的组合。鉴于这些情况,电流隔离是电动和混合动力汽车设计中的必要条件。

什么是电流隔离,它在电气系统设计中起到什么作用?电流隔离使电气系统的功能部分绝缘,以防止电流在各部分之间流动,同时允许在各部分之间交换信息。图2通过电路A和B之间的简单隔离数据交换示例演示了这一概念。专用偏置电源VDD1和VDD2在隔离器的相应侧提供5V电源。施加在电路A输入端的5V接地参考脉冲序列被如实地传输到隔离器输出,在传输期间的任何时间都没有电流通过GND1和GND2之间。换句话说,GND1和GND2之间的阻抗有效地创建了一个开路,并且如在电流隔离定义中所述,在两个绝缘电路之间完成了成功的数据传输。

“”
图2: 基本隔离器行为

数字隔离的好处是可用于各种组合,以使EV/HEV电气系统更安全和更可靠。图3中的主逆变器框图显示了使用隔离的位置。隔离为相电流和电压测量电路中的高压电机驱动器和低压控制器提供安全隔离、电平移动和电压转换。同样,隔离驱动器在驱动器和高压电动机驱动电路之间提供这些相同的功能。隔离式DC/DC转换器在反馈环路中使用线性安全隔离,以确保电源的初级侧和次级侧之间没有电流流动,从而消除了高压击穿或泄漏到低压电路的可能性。最后,线性或数字隔离器能够用于传感器之间,以实现安全、电平移动、电压转换和可能的地环路消除。

“”
图3:主逆变器中的隔离

EV/HEV中开关电源

开关电源转换器是EV/HEV系统的重要组成部分,用于主逆变器、辅助逆变器、12V网络DC/DC转换器和电池充电器。这些转换器可以转换电压和电流,以满足其设备的供电要求,并使用隔离来实现安全和电平移动。

图4显示了电池充电器内部的交流-直流转换器框图,其中输入电压由外部基础设施提供,例如充电点。如图所示,充电器的交流输入通过输入整流器和滤波器立即转换为直流,并由功率因数校正(PFC)电路调节。然后,经过调节的直流电压被初级侧开关电路“斩波”成脉冲,并施加到变压器初级。变压器“缩放”电压和电流脉冲,以满足充电器的输出要求。次级侧电路对高频脉冲进行整流和滤波,将其转换为直流。

电源控制管理闭环操作并监控传输到电池的电量,直到电池充满电为止。在此示例中,隔离组件提供了几个重要功能:变压器隔离转换器的初级侧和次级侧之间的功率传输;线性隔离为电流传感器、高压检测和反馈控制提供了安全隔离水平移动;数字隔离器为控制器局域网(CAN)总线接口提供安全隔离。

“图4:DC/DC(12V网络)转换器”
图4:DC/DC(12V网络)转换器

图5显示了在简化的HEV系统中隔离组件的使用位置和方式。与EV相比,HEV提出了更加困难的技术挑战,因为传动机构中的小型燃气发动机的复杂性增加了。这种添加使机械传动机构和电子设备复杂化。请注意,图4中的燃气发动机由专用发动机控制模块(ECM)管理,该模块包括一个隔离的CAN总线接口,使相对较低电压的HV ECU能够管理发动机转速、计时和其他关键参数。另请注意,电机/发电机(M/G)温度传感器隔离将传感器地与HV ECU地进行隔离,以实现安全和电压等级兼容性。此外,主和辅助逆变器、充电器和12V网络DC/DC转换器在存在不同地电位或高电压的情况下都可有效隔离。

“”
图5:简化的HEV电气系统框图

增强系统集成

电动和混合动力汽车设计必须继续减少汽车重量、改进电池技术并增加动力转换系统能力。反过来,这些进步将需要开关电源拓扑和更大规模的系统级IC的创新。虽然现代CMOS隔离器件在性能上有所提高,但数字隔离的最大好处可能是它能够与其他功能集成以形成单芯片、隔离系统。

隔离器件在EV/HEV应用中无处不在,并且对于汽车和操作者的安全至关重要。这些器件提供安全隔离、无缝电平移动、消除地噪声,最终增强了汽车性能和可靠性。

本文转载自: SiliconLabs
免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理。

点击这里,获取更多关于应用和技术的有关信息
点击这里,获取更多工程师博客的有关信息

推荐阅读