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充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)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(dòng)車(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)車(HEV)和48V充電機(jī)充電蓄電池輕型混合動(dòng)力電動(dòng)車(MHEV)的計(jì)劃。純EV正實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的成長(zhǎng)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(lái)電氣化,且48V輕型混合動(dòng)力設(shè)計(jì)的低成本及改造現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的能力進(jìn)一步加速了對(duì)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng),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?jī)?chǔ)存密度,接近零自漏電流,能夠在幾分鐘而非幾小時(shí)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(dòng)馬達(dá)提供大量的高效供電的同時(shí)「啜飲(sip)」充電機(jī)充電蓄電池電流。現(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動(dòng)系統(tǒng)和能量?jī)?chǔ)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(gè)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?jī)?chǔ)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(gè)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(dòng)電動(dòng)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)。

充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
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(guò)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(hào)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(cè)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。

充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
表1 電動(dòng)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(lái)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(shì),包括更長(zhǎng)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(lái)滿足不斷增加的功率密度,半導(dǎo)體基礎(chǔ)隔離的優(yōu)勢(shì)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(lái)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(duì)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(huì)使工作溫度升高,而對(duì)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(jiǎn)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(duì)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)。

充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
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(guò)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(hào)被截波成開關(guān)方形波,用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)器(例如Silicon Labs的Si8239x組件)完成輸入信號(hào)的截波。

在隔離閘極驅(qū)動(dòng)器的控制下,可以運(yùn)用同步場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)可以透過(guò)隔離的CAN總線進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線透過(guò)數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離,這些隔離器有時(shí)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(gè)簡(jiǎn)化的BMS系統(tǒng)顯示在與一個(gè)EV子系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí),信號(hào)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(guò)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。

充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
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(dòng)力是EV的最后階段,需要將幾個(gè)關(guān)鍵的隔離組件整合到設(shè)計(jì)中。牽引馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要透過(guò)充電機(jī)充電蓄電池的高壓直流輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)。大多數(shù)電動(dòng)車輛中的牽引馬達(dá)是交流感應(yīng)馬達(dá),為了驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流,并監(jiān)控速度和力矩。圖4所示為一個(gè)使用各種數(shù)字隔離設(shè)備,簡(jiǎn)化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。

充電機(jī)充電蓄電池系統(tǒng)和電動(dòng)車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用
圖4 簡(jiǎn)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(cè)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(jí)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(guó)際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)(IMDS)和中國(guó)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(jìng)爭(zhēng)正加速中,每年都有更多車輛來(lái)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(huì)。這些驅(qū)動(dòng)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(shì),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(lái)的EV浪潮。
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