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电气隔离在电动汽车中有哪些应用

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电气隔离在电动汽车中的应用
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2021-2-4 08:01:26   评论 分享淘帖 邀请回答
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  对于熟悉传统发动机的人来说,纯电动汽车(EV)的引擎盖下面是一番神奇的景象。当然,主要区别在于纯电动汽车没有内燃机(ICE, Internal Combustion Engine),而是可能装有电力牵引逆变器。逆变器通常具有相同的尺寸,并且其安装方式类似于传统的发动机。其他系统看起来就不那么熟悉了,但是你很可能辨识出12V电池这个变化不大的组件。
  在非电动汽车(non-EV)中,需要12V系统为启动马达供电,该启动马达提供内燃机的初始旋转以启动四冲程燃烧循环。鉴于电动汽车不需要启动马达,因此如果发现电动汽车装有12V电池会让人大为惊讶。但是,大多数电动汽车的电气系统仍以12V电压运行。在没有内燃机或交流发电机的情况下,必须使用高压牵引电池为12V系统完全供电。
  这提出了一个有趣的设计要求。牵引逆变器系统很可能在800V左右的DC电压下运行。这个高DC电压会转换为AC,以驱动牵引电机。但是,电动汽车中的牵引电池并不是通过简单地串联多个12V电池去产生800V电压,它是一个密封的单元。该高压系统的加入及其在车辆中的作用意味着12V系统现在通常被当作辅助系统。它为牵引系统(包括牵引控制系统)的所有辅助设备提供动力。
  现在,主高压电池负责为12V辅助系统供电,以使电池保持荷电状态。出于安全考虑,操作时需要在两个电压域之间保持电气隔离。
2021-2-4 16:03:10 评论

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  隔离至关重要
  典型的电动汽车有许多功能单位,包括牵引逆变器、温度控制和加热系统以及车载充电器。这些系统在完全不同的电压水平下运行,必须进行电气隔离。电气隔离可防止电流在不同电压域之间流动,同时仍支持数据传输和电能流动。
  从历史上看,用于数据传输的电气隔离是通过光学技术,借助LED源和光电二极管接收器实现的。但是,汽车市场尤其是电动汽车市场的需求,刺激了数字隔离技术的开发和应用。
2021-2-4 16:03:19 评论

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  辅助电源
  辅助电源系统通常由专用模块控制,该模块称为辅助电源模块(APM, Auxiliary Power Module)。这实际上是一个DC-DC转换器,它将牵引电池和转换器的高压(HV)转换为低压(LV)。该低压总线为辅助系统供电并为12V电池充电。最初,这似乎是一个相对简单的功能,但是对电气隔离的需求却带来了额外的复杂性。
  许多DC-DC转换器拓扑都使用变压器在同一步骤中提供降压和电气隔离。虽然这是隔离高压和低压电路的有效方法,但确实需要额外的转换步骤才能利用变压器。具体而言,需要将高压从DC转换为AC,然后将低压从AC转换回DC。下图中的电路图显示了通用的全桥实现。
  图1 APM的电路图
  全桥将DC电压转换为AC电压,因此它可以激励绝缘变压器的初级侧,并在次级侧感应出电流。然后需要将次级侧AC电压转换回DC电压。为了使用较小的磁性元件并减小最终解决方案的尺寸和重量,许多系统使用100kHz或更高的开关频率。
  图1的示例在变压器的初级(HV)侧使用一个全桥,在次级(LV)侧使用一个全桥同步整流器。高压侧开关的选择将基于成本与效率之间的关系,通常会使用IGBT,但较新的APM可能会使用碳化硅(SiC)MOSFET来实现最高效率。
  无论采用哪种开关技术,隔离栅极驱动器都起着至关重要的作用。数字隔离栅极驱动器利用CMOS技术来创建器件本身和隔离栅。图3显示了Si8239x隔离栅极驱动器中单个通道的框图,该驱动器使用射频载波穿过隔离栅传递信息。这种数字隔离技术提供了强大的隔离数据路径,该路径易于和其他CMOS技术(如栅极驱动器)集成。
  图2 Silicon Labs的汽车级Si8239x隔离栅极驱动器系列的单向状态
  图2所示的电路由APM控制器管理,该控制器生成PWM信号以控制电源开关的栅极驱动器。为了获得最高效率,控制器需要检测所产生的电压,该过程还需要一个隔离解决方案,例如电隔离模拟放大器。将APM连接到更大的汽车控制系统的系统总线也需要隔离。许多设计使用CAN总线,并且APM包含用于CAN总线信号的数字隔离器。具有5kVrms隔离度的多通道数字隔离器,例如Silicon Labs的Si86xx,已针对该应用进行了优化。就像隔离栅极驱动器一样,CMOS隔离栅允许集成高性能模拟和数字I/O功能。
2021-2-4 16:03:33 评论

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  向电动汽车发展给整车厂(OEM)和一级供应商带来了重大的设计挑战。至少到目前为止,保持12V电源作为辅助电源可通过配套的原有系统简化任务。但是,取消主电源的12V电池电源(由发动机驱动的交流发电机)会增加辅助电源模块的复杂性。CMOS隔离技术带来的集成方面的进步简化了APM的设计,同时可以在车辆的全生命周期中提供安全可靠的操作。
2021-2-4 16:04:21 评论

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