充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
2018-11-14 12:12:16??????點(diǎn)擊：
全球汽車OEM皆宣布將積極推出新型電動車(EV)、混合動力電動車(HEV)和48V充電機(jī)充電蓄電池輕型混合動力電動車(MHEV)的計(jì)劃。純EV正實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的成長率，48V MHEV系統(tǒng)亦正崛起，為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)(ICE)的引擎子系統(tǒng)帶來電氣化，且48V輕型混合動力設(shè)計(jì)的低成本及改造現(xiàn)有傳動系統(tǒng)的能力進(jìn)一步加速了對汽車應(yīng)用中功率電子設(shè)備的需求。
隨著汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電氣化，高瓦數(shù)功率電子設(shè)備成為新型電子傳動系統(tǒng)和充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。這些高瓦數(shù)電子設(shè)備需要與低壓數(shù)字控制器通信并由其控制，且在控制器和電力系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣隔離。在這些應(yīng)用中，需要電流隔離(通常是半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離)，以允許數(shù)字控制器安全地和現(xiàn)代EV高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。
EV系統(tǒng)概述
為了與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛競爭，EV/HEV中使用的充電機(jī)充電蓄電池必須具備非常高的能量儲存密度，接近零自漏電流，能夠在幾分鐘而非幾小時內(nèi)充電。此外，充電機(jī)充電蓄電池管理和相關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須將尺寸和重量最小化，并且在向電動馬達(dá)提供大量的高效供電的同時「啜飲(sip)」充電機(jī)充電蓄電池電流?，F(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動系統(tǒng)和能量儲存/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用模塊化組件，EV/HEV充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)通常包括四個主要電路組件：
· 車載蓄電池充電機(jī)(OBC)：鋰離子充電機(jī)充電蓄電池提供的能量儲存由OBC進(jìn)行充電，該蓄電池充電機(jī)由具備功率因子校正(PFC)的交流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并由充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)監(jiān)控。
· 充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)：充電機(jī)充電蓄電池單元由BMS監(jiān)控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個充電機(jī)充電蓄電池的充電、健康狀態(tài)、放電深度和調(diào)節(jié)。
· DC/DC轉(zhuǎn)換器：DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓充電機(jī)充電蓄電池連接到內(nèi)部12V直流網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為周邊配件提供電源并向本地開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供電源偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅(qū)動電動馬達(dá)，用于再生煞車，并將能量返回到充電機(jī)充電蓄電池。
圖1顯示這些系統(tǒng)，以及需要在EV中控制或通信的其他子系統(tǒng)。
圖1 EV系統(tǒng)架構(gòu)范例。
EV系統(tǒng)需要強(qiáng)大的高性能隔離以便與數(shù)字控制器連接，進(jìn)而保護(hù)其免受高達(dá)300V以上電壓的影響。這些子系統(tǒng)，如圖2中所示的OBC，通常透過CAN總線進(jìn)行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統(tǒng)隔離。
由于高電流和電氣開關(guān)，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接上，將數(shù)字通信信號發(fā)送到位于高壓子系統(tǒng)中的其他組件。此外，高壓功率晶體管需要由低壓控制器控制并與其隔離，低壓控制器需要測量系統(tǒng)中其他高壓部分的電流或電壓。
EV之外的其他系統(tǒng)，例如充電樁，也具備類似的系統(tǒng)要求和隔離需求。表1中所示的隔離組件經(jīng)常用于允許EV系統(tǒng)中的通信和控制。
表1 電動車輛系統(tǒng)中使用的隔離組件。
雖然EV已經(jīng)部署了不同類型的隔離技術(shù)，但越來越多制造商正轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體基礎(chǔ)的現(xiàn)代隔離技術(shù)，不再使用基于光耦合器的舊解決方案。相較于要求嚴(yán)格的汽車應(yīng)用中的光耦合器，這些現(xiàn)代隔離器具備許多優(yōu)勢，包括更長的使用壽命、溫度和老化的顯著穩(wěn)定性、更快的開關(guān)速度和更好的抗噪聲能力。
隨著汽車供貨商采用寬能隙功率晶體管——如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)來滿足不斷增加的功率密度，半導(dǎo)體基礎(chǔ)隔離的優(yōu)勢變得非常重要。這些GaN或SiC系統(tǒng)通常使用更高的開關(guān)速度來縮小系統(tǒng)磁性材料的尺寸，卻導(dǎo)致顯著的電氣噪聲，半導(dǎo)體隔離是應(yīng)對這些更高速度和更多噪聲環(huán)境的理想選擇。
縮小這些系統(tǒng)的尺寸并增加功率密度會使工作溫度升高，而對光耦合器產(chǎn)生壓力并降低其性能。半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離在這些更高的溫度范圍內(nèi)具備明顯更好的性能和可靠性，使其成為汽車EV設(shè)計(jì)的理想選擇。
OBC概述
OBC系統(tǒng)(參見圖2中的簡化框架圖)負(fù)責(zé)將標(biāo)準(zhǔn)交流充電源轉(zhuǎn)換為用于對車輛中的充電機(jī)充電蓄電池組充電直流電壓。此外，OBC執(zhí)行其他關(guān)鍵功能，如電壓監(jiān)控和保護(hù)。
圖2 車載蓄電池充電機(jī)系統(tǒng)范例。
OBC系統(tǒng)采用交流輸入源，透過全波整流器轉(zhuǎn)換為高壓直流總線電壓，并提供功率因子校正。產(chǎn)生的直流信號被截波成開關(guān)方形波，用于驅(qū)動變壓器以產(chǎn)生所需的輸出直流電壓，使用隔離閘極驅(qū)動器(例如Silicon Labs的Si8239x組件)完成輸入信號的截波。
在隔離閘極驅(qū)動器的控制下，可以運(yùn)用同步場效晶體管(FET)將輸出電壓濾波成最終直流電壓。使用隔離的模擬傳感器(如Silicon Labs的Si892x組件)，輸出電壓能夠被監(jiān)控，向系統(tǒng)控制器提供反饋回路。
整個系統(tǒng)可以透過隔離的CAN總線進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線透過數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，這些隔離器有時也整合了DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
BMS和CAN總線
如圖3所示，這個簡化的BMS系統(tǒng)顯示在與一個EV子系統(tǒng)進(jìn)行連接時，信號和電源隔離的重要性。在大多數(shù)EV子系統(tǒng)中，CAN總線透過數(shù)字隔離與該子系統(tǒng)中的高壓隔離，現(xiàn)代數(shù)字隔離需要電源為隔離器兩側(cè)供電(高壓域和低壓域)。此電源也可為連接到隔離器的其他設(shè)備供電，例如CAN總線收發(fā)器。
在圖3中，高壓域是充電機(jī)充電蓄電池組一側(cè)，低壓域是CAN收發(fā)器一側(cè)。此范例主要關(guān)注CAN總線接口，但微控制器(MCU)和充電機(jī)充電蓄電池組本身之間可能有額外隔離。
圖3 充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)通信接口。
藉由使用包含整合DC-DC轉(zhuǎn)換器的全隔離解決方案，開發(fā)人員可以減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性。這些具備整合功率轉(zhuǎn)換器的隔離解決方案，可用于車輛中許多包含CAN總線收發(fā)器的子系統(tǒng)。
牽引馬達(dá)系統(tǒng)中的隔離
為車輪提供動力是EV的最后階段，需要將幾個關(guān)鍵的隔離組件整合到設(shè)計(jì)中。牽引馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)需要透過充電機(jī)充電蓄電池的高壓直流輸出來驅(qū)動牽引馬達(dá)。大多數(shù)電動車輛中的牽引馬達(dá)是交流感應(yīng)馬達(dá)，為了驅(qū)動馬達(dá)，牽引馬達(dá)控制器必須從充電機(jī)充電蓄電池組產(chǎn)生的高壓直流電源在線合成出可變交流波形。
這些系統(tǒng)需要在馬達(dá)控制器和功率晶體管之間采用隔離驅(qū)動器。隔離允許低壓控制器安全的開關(guān)高功率晶體管以產(chǎn)生交流波形。此外，馬達(dá)控制系統(tǒng)中可能存在隔離的CAN總線，并有某些方法可以感測驅(qū)動馬達(dá)的電流，并監(jiān)控速度和力矩。圖4所示為一個使用各種數(shù)字隔離設(shè)備，簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。
圖4 簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。
其他汽車隔離考慮
汽車電子必須滿足比工業(yè)系統(tǒng)更嚴(yán)格的測試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)汽車客戶需要更嚴(yán)格的AEC-Q100認(rèn)證、遵循ISO/TS 16949審核、更延展的操作溫度范圍(-40~+125℃)和極低的瑕疵率。
這些新增的要求意味著汽車電子供貨商需要采取額外措施，確保組件能夠滿足客戶需求。在晶圓廠、組件封裝和最終組裝中進(jìn)行額外的質(zhì)量控制。
為提供真正的汽車級組件，這些提高的組件參數(shù)也必須得到質(zhì)量系統(tǒng)和文件的支持，例如生產(chǎn)件核準(zhǔn)程序(PPAP)、國際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(IMDS)和中國汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CAMDS)。
結(jié)論
汽車產(chǎn)業(yè)電氣化競爭正加速中，每年都有更多車輛來自不同的制造商，EV的數(shù)量和類型增加，為電子供貨商創(chuàng)造在車輛電力電子系統(tǒng)中，增加設(shè)備占有率的機(jī)會。這些驅(qū)動系統(tǒng)中的高電壓和噪聲環(huán)境需要強(qiáng)大的高性能電流隔離，確保安全可靠的運(yùn)行，由于不斷提高的瓦數(shù)和縮小的EV子系統(tǒng)尺寸持續(xù)增加功率密度，產(chǎn)生了嚴(yán)格的熱和電氣噪聲條件。半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離與傳統(tǒng)的光耦合器解決方案相比具備明顯的優(yōu)勢，使其成為這些高難度EV應(yīng)用的理想選擇。
與工業(yè)客戶相較之下，汽車客戶需要更寬廣的工作溫度范圍、更佳的質(zhì)量和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈募跋到y(tǒng)。而能夠滿足所有這些需求的電子產(chǎn)品供貨商，已準(zhǔn)備好迎接即將到來的EV浪潮。
隨著汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電氣化，高瓦數(shù)功率電子設(shè)備成為新型電子傳動系統(tǒng)和充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。這些高瓦數(shù)電子設(shè)備需要與低壓數(shù)字控制器通信并由其控制，且在控制器和電力系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣隔離。在這些應(yīng)用中，需要電流隔離(通常是半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離)，以允許數(shù)字控制器安全地和現(xiàn)代EV高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。
EV系統(tǒng)概述
為了與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛競爭，EV/HEV中使用的充電機(jī)充電蓄電池必須具備非常高的能量儲存密度，接近零自漏電流，能夠在幾分鐘而非幾小時內(nèi)充電。此外，充電機(jī)充電蓄電池管理和相關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須將尺寸和重量最小化，并且在向電動馬達(dá)提供大量的高效供電的同時「啜飲(sip)」充電機(jī)充電蓄電池電流?，F(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動系統(tǒng)和能量儲存/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用模塊化組件，EV/HEV充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)通常包括四個主要電路組件：
· 車載蓄電池充電機(jī)(OBC)：鋰離子充電機(jī)充電蓄電池提供的能量儲存由OBC進(jìn)行充電，該蓄電池充電機(jī)由具備功率因子校正(PFC)的交流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并由充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)監(jiān)控。
· 充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)：充電機(jī)充電蓄電池單元由BMS監(jiān)控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個充電機(jī)充電蓄電池的充電、健康狀態(tài)、放電深度和調(diào)節(jié)。
· DC/DC轉(zhuǎn)換器：DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓充電機(jī)充電蓄電池連接到內(nèi)部12V直流網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為周邊配件提供電源并向本地開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供電源偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅(qū)動電動馬達(dá)，用于再生煞車，并將能量返回到充電機(jī)充電蓄電池。
圖1顯示這些系統(tǒng)，以及需要在EV中控制或通信的其他子系統(tǒng)。
圖1 EV系統(tǒng)架構(gòu)范例。
EV系統(tǒng)需要強(qiáng)大的高性能隔離以便與數(shù)字控制器連接，進(jìn)而保護(hù)其免受高達(dá)300V以上電壓的影響。這些子系統(tǒng)，如圖2中所示的OBC，通常透過CAN總線進(jìn)行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統(tǒng)隔離。
由于高電流和電氣開關(guān)，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接上，將數(shù)字通信信號發(fā)送到位于高壓子系統(tǒng)中的其他組件。此外，高壓功率晶體管需要由低壓控制器控制并與其隔離，低壓控制器需要測量系統(tǒng)中其他高壓部分的電流或電壓。
EV之外的其他系統(tǒng)，例如充電樁，也具備類似的系統(tǒng)要求和隔離需求。表1中所示的隔離組件經(jīng)常用于允許EV系統(tǒng)中的通信和控制。
表1 電動車輛系統(tǒng)中使用的隔離組件。
雖然EV已經(jīng)部署了不同類型的隔離技術(shù)，但越來越多制造商正轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體基礎(chǔ)的現(xiàn)代隔離技術(shù)，不再使用基于光耦合器的舊解決方案。相較于要求嚴(yán)格的汽車應(yīng)用中的光耦合器，這些現(xiàn)代隔離器具備許多優(yōu)勢，包括更長的使用壽命、溫度和老化的顯著穩(wěn)定性、更快的開關(guān)速度和更好的抗噪聲能力。
隨著汽車供貨商采用寬能隙功率晶體管——如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)來滿足不斷增加的功率密度，半導(dǎo)體基礎(chǔ)隔離的優(yōu)勢變得非常重要。這些GaN或SiC系統(tǒng)通常使用更高的開關(guān)速度來縮小系統(tǒng)磁性材料的尺寸，卻導(dǎo)致顯著的電氣噪聲，半導(dǎo)體隔離是應(yīng)對這些更高速度和更多噪聲環(huán)境的理想選擇。
縮小這些系統(tǒng)的尺寸并增加功率密度會使工作溫度升高，而對光耦合器產(chǎn)生壓力并降低其性能。半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離在這些更高的溫度范圍內(nèi)具備明顯更好的性能和可靠性，使其成為汽車EV設(shè)計(jì)的理想選擇。
OBC概述
OBC系統(tǒng)(參見圖2中的簡化框架圖)負(fù)責(zé)將標(biāo)準(zhǔn)交流充電源轉(zhuǎn)換為用于對車輛中的充電機(jī)充電蓄電池組充電直流電壓。此外，OBC執(zhí)行其他關(guān)鍵功能，如電壓監(jiān)控和保護(hù)。
圖2 車載蓄電池充電機(jī)系統(tǒng)范例。
OBC系統(tǒng)采用交流輸入源，透過全波整流器轉(zhuǎn)換為高壓直流總線電壓，并提供功率因子校正。產(chǎn)生的直流信號被截波成開關(guān)方形波，用于驅(qū)動變壓器以產(chǎn)生所需的輸出直流電壓，使用隔離閘極驅(qū)動器(例如Silicon Labs的Si8239x組件)完成輸入信號的截波。
在隔離閘極驅(qū)動器的控制下，可以運(yùn)用同步場效晶體管(FET)將輸出電壓濾波成最終直流電壓。使用隔離的模擬傳感器(如Silicon Labs的Si892x組件)，輸出電壓能夠被監(jiān)控，向系統(tǒng)控制器提供反饋回路。
整個系統(tǒng)可以透過隔離的CAN總線進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線透過數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，這些隔離器有時也整合了DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
BMS和CAN總線
如圖3所示，這個簡化的BMS系統(tǒng)顯示在與一個EV子系統(tǒng)進(jìn)行連接時，信號和電源隔離的重要性。在大多數(shù)EV子系統(tǒng)中，CAN總線透過數(shù)字隔離與該子系統(tǒng)中的高壓隔離，現(xiàn)代數(shù)字隔離需要電源為隔離器兩側(cè)供電(高壓域和低壓域)。此電源也可為連接到隔離器的其他設(shè)備供電，例如CAN總線收發(fā)器。
在圖3中，高壓域是充電機(jī)充電蓄電池組一側(cè)，低壓域是CAN收發(fā)器一側(cè)。此范例主要關(guān)注CAN總線接口，但微控制器(MCU)和充電機(jī)充電蓄電池組本身之間可能有額外隔離。
圖3 充電機(jī)充電蓄電池管理系統(tǒng)通信接口。
藉由使用包含整合DC-DC轉(zhuǎn)換器的全隔離解決方案，開發(fā)人員可以減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性。這些具備整合功率轉(zhuǎn)換器的隔離解決方案，可用于車輛中許多包含CAN總線收發(fā)器的子系統(tǒng)。
牽引馬達(dá)系統(tǒng)中的隔離
為車輪提供動力是EV的最后階段，需要將幾個關(guān)鍵的隔離組件整合到設(shè)計(jì)中。牽引馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)需要透過充電機(jī)充電蓄電池的高壓直流輸出來驅(qū)動牽引馬達(dá)。大多數(shù)電動車輛中的牽引馬達(dá)是交流感應(yīng)馬達(dá)，為了驅(qū)動馬達(dá)，牽引馬達(dá)控制器必須從充電機(jī)充電蓄電池組產(chǎn)生的高壓直流電源在線合成出可變交流波形。
這些系統(tǒng)需要在馬達(dá)控制器和功率晶體管之間采用隔離驅(qū)動器。隔離允許低壓控制器安全的開關(guān)高功率晶體管以產(chǎn)生交流波形。此外，馬達(dá)控制系統(tǒng)中可能存在隔離的CAN總線，并有某些方法可以感測驅(qū)動馬達(dá)的電流，并監(jiān)控速度和力矩。圖4所示為一個使用各種數(shù)字隔離設(shè)備，簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。
圖4 簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。
其他汽車隔離考慮
汽車電子必須滿足比工業(yè)系統(tǒng)更嚴(yán)格的測試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)汽車客戶需要更嚴(yán)格的AEC-Q100認(rèn)證、遵循ISO/TS 16949審核、更延展的操作溫度范圍(-40~+125℃)和極低的瑕疵率。
這些新增的要求意味著汽車電子供貨商需要采取額外措施，確保組件能夠滿足客戶需求。在晶圓廠、組件封裝和最終組裝中進(jìn)行額外的質(zhì)量控制。
為提供真正的汽車級組件，這些提高的組件參數(shù)也必須得到質(zhì)量系統(tǒng)和文件的支持，例如生產(chǎn)件核準(zhǔn)程序(PPAP)、國際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(IMDS)和中國汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CAMDS)。
結(jié)論
汽車產(chǎn)業(yè)電氣化競爭正加速中，每年都有更多車輛來自不同的制造商，EV的數(shù)量和類型增加，為電子供貨商創(chuàng)造在車輛電力電子系統(tǒng)中，增加設(shè)備占有率的機(jī)會。這些驅(qū)動系統(tǒng)中的高電壓和噪聲環(huán)境需要強(qiáng)大的高性能電流隔離，確保安全可靠的運(yùn)行，由于不斷提高的瓦數(shù)和縮小的EV子系統(tǒng)尺寸持續(xù)增加功率密度，產(chǎn)生了嚴(yán)格的熱和電氣噪聲條件。半導(dǎo)體基礎(chǔ)的隔離與傳統(tǒng)的光耦合器解決方案相比具備明顯的優(yōu)勢，使其成為這些高難度EV應(yīng)用的理想選擇。
與工業(yè)客戶相較之下，汽車客戶需要更寬廣的工作溫度范圍、更佳的質(zhì)量和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈募跋到y(tǒng)。而能夠滿足所有這些需求的電子產(chǎn)品供貨商，已準(zhǔn)備好迎接即將到來的EV浪潮。
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