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          電氣隔離在電動汽車中的應(yīng)用

          作者:Charlie Ice(Silicon Labs以太網(wǎng)供電 高級產(chǎn)品經(jīng)理) 時間:2020-12-11 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:電動汽車是具有多個電壓域和多種功能的復(fù)雜系統(tǒng),既要實現(xiàn)電氣隔離,又要仍然能夠進行通信。

          對于熟悉傳統(tǒng)發(fā)動機的人來說,純(EV)的引擎蓋下面是一番神奇的景象(如圖1)。當(dāng)然,主要區(qū)別在于純沒有內(nèi)燃機(ICE, Internal Combustion Engine),而是可能裝有電力牽引逆變器。逆變器通常具有相同的尺寸,并且其安裝方式類似于傳統(tǒng)的發(fā)動機。其他系統(tǒng)看起來就不那么熟悉了,但是你很可能辨識出12 V電池這個變化不大的組件。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202012/421090.htm

          在非(non-EV)中,需要12 V系統(tǒng)為啟動馬達供電,該啟動馬達提供內(nèi)燃機的初始旋轉(zhuǎn)以啟動四沖程燃燒循環(huán)。鑒于電動汽車不需要啟動馬達,因此如果發(fā)現(xiàn)電動汽車裝有12 V電池會讓人大為驚訝。但是,大多數(shù)電動汽車的電氣系統(tǒng)仍以12 V電壓運行。在沒有內(nèi)燃機或交流發(fā)電機的情況下,必須使用高壓牽引電池為12 V系統(tǒng)完全供電。

          這提出了一個有趣的設(shè)計要求。牽引逆變器系統(tǒng)很可能在800 V左右的DC電壓下運行。這個高DC電壓會轉(zhuǎn)換為AC,以驅(qū)動牽引電機。但是,電動汽車中的牽引電池并不是通過簡單地串聯(lián)多個12 V電池去產(chǎn)生800 V電壓,它是一個密封的單元。該高壓系統(tǒng)的加入及其在車輛中的作用意味著12 V系統(tǒng)現(xiàn)在通常被當(dāng)作輔助系統(tǒng)。它為牽引系統(tǒng)(包括牽引控制系統(tǒng))的所有輔助設(shè)備提供動力。

          現(xiàn)在,主高壓電池負責(zé)為12 V輔助系統(tǒng)供電,以使電池保持荷電狀態(tài)。出于安全考慮,操作時需要在2個之間保持

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          圖1  電動汽車的關(guān)鍵組件(來源: Energy.Gov )

          隔離至關(guān)重要

          圖1是典型的電動汽車示意圖,展示了許多功能單位,包括牽引逆變器、溫度控制和加熱系統(tǒng)以及車載充電器。這些系統(tǒng)在完全不同的電壓水平下運行,必須進行可防止電流在不同之間流動,同時仍支持數(shù)據(jù)傳輸和電能流動。

          從歷史上看,用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎飧綦x是通過光學(xué)技術(shù),借助LED源和光電二極管接收器實現(xiàn)的。但是,汽車市場尤其是電動汽車市場的需求,刺激了數(shù)字隔離技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

          1   輔助電源

          輔助電源系統(tǒng)通常由專用模塊控制,該模塊稱為輔助電源模塊(APM, Auxiliary Power Module)。這實際上是1個DC-DC轉(zhuǎn)換器,它將牽引電池和轉(zhuǎn)換器的高壓(HV)轉(zhuǎn)換為低壓(LV)。該低壓總線為輔助系統(tǒng)供電,并為12 V電池充電。最初,這似乎是1個相對簡單的功能,但是對電氣隔離的需求卻帶來了額外的復(fù)雜性。

          許多DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲都使用變壓器在同一步驟中提供降壓和電氣隔離。雖然這是隔離高壓和低壓電路的有效方法,但確實需要額外的轉(zhuǎn)換步驟才能利用變壓器。具體而言,需要將高壓從DC轉(zhuǎn)換為AC,然后將低壓從AC轉(zhuǎn)換回DC。圖2中的電路圖顯示了通用的全橋?qū)崿F(xiàn)。

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          圖2  APM的電路圖(來源: Silicon Labs )

          全橋?qū)C電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓,因此它可以激勵絕緣變壓器的初級側(cè),并在次級側(cè)感應(yīng)出電流。然后需要將次級側(cè)AC電壓轉(zhuǎn)換回DC電壓。為了使用較小的磁性元件并減小最終解決方案的尺寸和重量,許多系統(tǒng)使用100 kHz或更高的開關(guān)頻率。

          圖2的示例在變壓器的初級(HV)側(cè)使用1個全橋,在次級(LV)側(cè)使用1個全橋同步整流器。高壓側(cè)開關(guān)的選擇將基于成本與效率之間的關(guān)系,通常會使用IGBT,但較新的APM可能會使用碳化硅(SiC)MOSFET來實現(xiàn)最高效率。

          無論采用哪種開關(guān)技術(shù),隔離柵極驅(qū)動器都起著至關(guān)重要的作用。數(shù)字隔離柵極驅(qū)動器利用CMOS技術(shù)來創(chuàng)建器件本身和隔離柵。圖3顯示了Si8239x隔離柵極驅(qū)動器中單個通道的框圖,該驅(qū)動器使用射頻載波穿過隔離柵傳遞信息。這種數(shù)字隔離技術(shù)提供了強大的隔離數(shù)據(jù)路徑,該路徑易于和其他CMOS技術(shù)(如柵極驅(qū)動器)集成。

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          圖3  Silicon Labs的汽車級Si8239x隔離柵極驅(qū)動器系列的單向狀態(tài)(來源:  Silicon Labs )

          2   擴展數(shù)字隔離

          圖2所示的電路由APM控制器管理,該控制器生成PWM信號以控制電源開關(guān)的柵極驅(qū)動器。為了獲得最高效率,控制器需要檢測所產(chǎn)生的電壓,該過程還需要1個隔離解決方案,例如電隔離模擬放大器。將APM連接到更大的汽車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線也需要隔離。許多設(shè)計使用CAN總線,并且APM包含用于CAN總線信號的數(shù)字隔離器。具有5kVrms隔離度的多通道數(shù)字隔離器,例如Silicon Labs的Si86xx,已針對該應(yīng)用進行了優(yōu)化。就像隔離柵極驅(qū)動器一樣,CMOS隔離柵允許集成高性能模擬和數(shù)字I/O功能。

          3 結(jié)論

          向電動汽車的發(fā)展給整車廠(OEM)和一級供應(yīng)商帶來了重大的設(shè)計挑戰(zhàn)。至少到目前為止,保持12 V電源作為輔助電源可通過配套的原有系統(tǒng)簡化任務(wù)。但是,取消主電源的12 V電池電源(由發(fā)動機驅(qū)動的交流發(fā)電機)會增加輔助電源模塊的復(fù)雜性。CMOS隔離技術(shù)帶來的集成方面的進步簡化了APM的設(shè)計,同時可以在車輛的全生命周期中提供安全可靠的操作。

          (注:本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期)



          關(guān)鍵詞: 電動汽車 電壓域 電氣隔離

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