光耦助力提升電動汽車充電站的安全與效率

實驗結果表明，效率提升是相當顯著的。這些設計分別采用了配有合適緩沖階的AC PL-W346和ACPL-339J，并與8-A、100-kHzSEPIC dc-dc轉(zhuǎn)換器中的Cree C2M SiC MOSFET協(xié)作。當阻斷電壓為600-V的時候，基于SiC MOSFET的系統(tǒng)要比常規(guī)的基于IGBT的設計的效率高4%(圖4)。圖5是使用ACPL-339J驅(qū)動SiC MOSFET 的簡化連接回路。

圖5 這張圖展示了使用ACPL-339J 以驅(qū)動SiC MOSFET的簡化連接回路

電壓和電流檢測

電動汽車的電池充電主要有以下三種方式：恒定電壓、恒定電流，以及兩者的組合。大多數(shù)電動汽車充電系統(tǒng)在充電過程的初始階段使用恒定電壓，然后在最后階段使用恒定電流充電。為有效使用這些充電方法，各個節(jié)點的電壓和幾個分路的電流需要進行測量并反饋給MCU進行計算，從而相應地調(diào)整PWM信號。例如，在圖3中，直流鏈路和充電器輸出的電壓需要進行連續(xù)地監(jiān)測，并確保準確的讀數(shù)。除了電壓信息，PFC系統(tǒng)——經(jīng)過輸入和輸出軌中的電力也需要進行測量。

不少有關高效率充電系統(tǒng)的研究將電壓和電流信息作為控制算法和電力計算中的基本參數(shù)——在這種計算當中信息的準確性至關重要。充電電壓、電流和充電時間構成了充電過程中的能耗，進而轉(zhuǎn)化為充電費用賬單。因此，需要將測量精確度保持在一定的水平。

測量較高電壓的一種常見方法是使用電阻分壓器將電壓降低到一個適當?shù)乃健Ｈ缓?，線性傳感芯片將測量電壓，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU。電流檢測電路經(jīng)常采用精密分流電阻將電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號，然后通過一些信號調(diào)節(jié)器件發(fā)送給MCU。

然而，將信號從高壓領域如PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)精確傳送到低壓控制器一直是一個挑戰(zhàn)。這是由于在這些兩個區(qū)域會發(fā)生較大的切換噪音和接地回路噪音。這些常見的電路問題會破壞數(shù)據(jù)的準確性，損壞MCU，并威脅用戶安全。在這些情況下，隔離放大器如ACPL-C87X和ACPL-C79X系列都能夠很方便地檢測電壓和電流。

圖6這個回路提供高壓測量功能，可轉(zhuǎn)換為獨立的對地參考輸出

使用ACPL-C87X隔離電壓傳感器相當簡單。帶有ACPL-C87X的直流電壓感應回路請見圖6。假設VIN的ACPL-C87X額定輸入電壓為2V時，用戶需要根據(jù) R1 = (VL1-VIN)/VIN × R2來選擇電阻R1。例如，如果 VL1 為600 V，R2為10kΩ，則R1的值為2990 k?。

幾個電阻可以組合起來以匹配目標值。例如，將2MΩ、430kΩ的和560kΩ電阻串聯(lián)起來，電阻恰好等于2990千歐。降低的輸入電壓先通過R2和C1形成的抗混疊濾波器過濾，然后交由ACPL-C87X檢測。隔離差分輸出電壓(VOUT + - VOUT-)經(jīng)由后置放大器(U2)轉(zhuǎn)換為單端信號(VOUT)。VOUT和高壓側(cè)的線電壓呈線性比例關系，可以安全地與系統(tǒng)微控制器連接。ACPL-C87X的典型增益值為1，總傳遞函數(shù)就是VOUT = VL1/(R1?R2+1)。

使用隔離放大器來檢測電流也很簡單。只要把分流電阻和輸入端相連然后通過隔離柵獲取差分輸出(圖7)。通過使用合適的分流電阻，大小不一的電流——從不到1A到超過100A，都可以進行測量。

圖7　通過使用合適的分流電阻，從不到1A到100A+的電流都可以進行測量

在操作當中，電流流過分流電阻，產(chǎn)生的模擬壓降信號會被ACPL-C79X檢測到，差分輸出電壓在光隔離柵的另一端形成。該差分輸出電壓和電流振幅成比例，并可以通過運算放大器，如圖6中的后置放大器轉(zhuǎn)換為一個單端信號，或者直接發(fā)送到控制器自帶的的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。

數(shù)字通信

先進的控制方案對于實施充電站和電動汽車之間的充電控制協(xié)議是有必要的。這是另一個容易出現(xiàn)不同標準的領域。例如，SAE J1772詳細說明了為AC Level 1 和2使用工作周期調(diào)變手段控制導頻信號通信的方法。對于直流充電所需的數(shù)字通信而言，SAE委員會正在更新J2931，提出了有關控制導頻信號或輸電干線(mains)的電力線通信(PLC)計劃。特斯拉參與了SAE委員會的這個工作，并決定使用和SAE J1772一樣的信號控制方案。

最流行的充電標準CHAdeMO(基于快速充電式電動汽車的銷量)選擇控制器局域網(wǎng)(CAN)進行快速充電。據(jù)日本協(xié)會的網(wǎng)站顯示，由于直流快速充電器輸入達到500-V / 100-A，如果出現(xiàn)一個錯誤，就有可能導致致命事故。為此，通信的高可靠性是必需的。該協(xié)會認為CAN作為汽車電子控制系統(tǒng)的標準通信方式已經(jīng)有很長時間的高可靠記錄。據(jù)報道，作為電子控制單元(ECU)用于控制充電過程的一種通信方法，其噪聲容忍度超過PLC方法(“常問問題——技術”)。

CHAdeMO標準提供了一對CAN總線，以將耦合器界面上的充電器和車輛連接起來。耦合器管腳8和9被分別命名為CAN-H和CAN-L(“技術詳情”[注13])，可讓CAN收發(fā)器連接。

在CAN收發(fā)器和CAN控制器之間添加光隔離功能可顯著提升系統(tǒng)的安全性，因為光耦提供的安全柵可以防止將任何損害級聯(lián)到系統(tǒng)MCU。這種配置可提高極高噪音環(huán)境(如高電壓的電池充電系統(tǒng))中數(shù)據(jù)通信的可靠性。圖8顯示了如何使用光耦為快速充電站設計部署隔離CAN總線數(shù)字通信方案的方法。類似的回路也適用于車內(nèi)系統(tǒng)。

圖8　該設置為快速充電站設計提供隔離的CAN總線數(shù)字通信

在圖8中，一對10-MBd 快速光耦合器(部分ACPL-W61L)被用來傳輸和接收數(shù)據(jù)。這個產(chǎn)品僅需要1.6 mA 的LED電流，其SSO-6封裝不足傳統(tǒng)DIP-8封裝一半大小。按照UL1577的標準，ACPL-W61L每分鐘可以承受5000VRMS 的高壓。這部分按照可在高瞬變噪聲中傳輸信號的標準設計，其共模瞬變抗擾度(CMTI)可達到 35 kV/μs[注30]。 為適應不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，可用其他光耦代替ACPL-W61L。這包括5-MBd級別的ACPL-W21L和25-MBb的雙通道雙向ACSL-7210。

結論

在探索使用相對便宜的電力能源的同是，電動汽車終將有助于減少全球運輸業(yè)對石油的依賴。它們還將有助于減少溫室氣體和其他污染物的排放，并將隨著在發(fā)電投資組合中引入更多的可再生能源而得到進一步的改善。

電動汽車充電基礎設施是推動電動汽車在全球范圍內(nèi)廣泛采用的一個關鍵因素。在一個電動汽車充電站當中，尤其是對于直流快速充電而言，會在短時間內(nèi)采用復雜的電力系統(tǒng)來為電池提供足量的電力。安全隔離是必要的，因為低電壓控制系統(tǒng)、高壓電力系統(tǒng)、以及用戶可訪問的用戶界面都同時存于一個單一的充電站當中。

電動汽車充電器的另一個關鍵的設計考量因素是電力轉(zhuǎn)換效率。光耦，如柵極驅(qū)動器、電壓/電流傳感器和數(shù)字通信光耦都在單一封裝當中提供安全隔離功能和各自的電氣功能，從而引領朝著系統(tǒng)朝著高效的方向發(fā)展。