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电动汽车的未来取决于隔离

2023-04-11 17:20:55 Travis Lenz 阅读:
电源的尖峰可能会损坏车辆中的电子设备或导致致命的电击。

多年来,电动汽车行业的增长势头迅猛,丝毫没有放缓的迹象。一些报告预测,到2040年,电动汽车将占据至少75%的汽车市场。随着汽车设计继续朝着电气化方向发展,高功率电力电子设备已成为新型电子传动系统和电池系统的关键,这对于汽车从A点移动到B点至关重要。eerednc

然而,在这些高电压下运行也会带来电源尖峰的风险,可能会损坏车内的电子设备或对车内人员造成致命电击。由于这些风险,隔离仍然是推动不断增长的电动汽车市场发展的关键技术。eerednc

隔离在电动汽车中的重要性

隔离是一个相对较新且迅速兴起的行业,仅在过去几十年才存在,但已成为众多应用的重要组成部分。在车辆中,隔离器很有价值,因为低压数字控制器必须与高功率电子设备通信并对其进行管理。CMOS隔离器允许数字控制器安全地与现代电动汽车的高压系统连接。为了正常运行,这些低压控制器和IC需要与电机等高功率系统电气隔离,否则它们可能会出现错误或完全运行失败。eerednc

汽车行业的法规越来越严格,安全始终处于最前沿。与在表面上不那么恶劣的环境中运行的数据中心或电信应用程序相比,情况尤其如此。汽车行业的风险更高,因为任何类型的硬件或软件故障或元器件退化都会对车辆本身的性能产生不利影响,这通常会使驾驶员、乘客和行人处于危险之中。eerednc

随着电动汽车的进步,抗噪性也是一个日益严峻的挑战。随着EV内部的系统变得更加紧凑,它们内部的元器件被放置得更近,这意味着它们在电路板上固有地相互干扰着。EV中使用的任何电路都会产生噪声,并将其传导到系统中。在具有高压瞬变的环境中,如前面提到的汽车环境,这种噪声产生会被放大。eerednc

对于像模数转换器、传感器和车辆中极低电压的微控制器等设备,这种噪声会导致测量偏差、过热和其他对功能产生负面影响的问题。隔离器消除了接地回路引起的噪声,因为它们在两个电路域之间提供电流隔离。简单地切断接地回路就可以极大地提高敏感电路的性能,并降低系统的整体噪声水平。eerednc

需要隔离的地方

EV的多个区域需要隔离以实现功能和安全。eerednc

BMS

为了保持与传统内燃机汽车的竞争力,电动汽车中使用的电池需要非常高的能量存储密度、极低(接近于零)的自漏电流和快速充电的能力。电池管理系统(BMS)监控和管理电池以确保高效率和安全性。eerednc

BMS控制单个电池寿命的不同方面,包括充电和放电监控、温度、调节、损耗均衡和电池的整体健康状况。该系统的另一个关键功能是管理车载高压电池中存储的电力,并为车辆的其余部分供电。这些功能中的每一项都需要电流隔离,将低压系统与高压域分开,这对安全保证至关重要。eerednc

OBC

出于多种原因,隔离在车载充电器(OBC)内部很有用,最显著的原因是促进系统转换功率的能力。为了给EV的电池组充电,OBC需要将来自墙上插座或墙上充电器的120V或240V交流电转换为高压直流母线,同时还提供功率因数校正。隔离式栅极驱动器可将生成的直流信号调制为方波以驱动变压器,从而产生所需的输出直流电压。此外,整个系统可以通过数字隔离器隔离的控制器局域网(CAN)总线进行监控和控制。eerednc

DC/DC转换器

EV中使用高压至低压DC/DC转换器将直流电压从一个电压域转换为另一个电压域,从而为多个辅助系统供电。它们将来自高压汽车电池(200-800V)的直流电转换为内部12V或48V直流网络中的较低电压。这为汽车配件提供动力,包括雨刮器和车窗电机、前灯和车内灯、风扇和泵,以及其他几个汽车系统。eerednc

在此用例中,与BMS一样,需要电流隔离,以便在控制系统和高压域之间形成隔离。此外,与OBC系统一样,该系统也可以通过汽车总线进行调节,例如带有数字隔离器的隔离式CAN。eerednc

牵引逆变器

牵引逆变器为EV的传动系统提供动力,是可识别的“vroom”的来源,用于将存储的直流高压电从电池转换为交流电以驱动牵引电机。牵引逆变器将车载高压电池的直流电转换为交流电,以驱动电动汽车的主电机。eerednc

逆变器不仅驱动电动机,还用于再生制动、开关保护、升压和将未使用的能量返回到电池等功能。这些功能中的每一个都需要隔离,以便在控制系统和高压之间提供屏障:由于牵引逆变器在400V和800V电池之间转变,因此隔离可能导致电击的危险电压至关重要。eerednc

结论

由于这些原因,更多的标准正在实施,这些标准要求在各种汽车电子元件之间进行某种形式的隔离,此外还有电子器件和消费者之间的隔离。例如,关于CMOS隔离器,IEC 60747-17标准要求进行与时间相关的电介质击穿测试,以确定隔离器在其使用寿命期间的累积故障率,这最终表明了其屏障的鲁棒性。从网络控制器到传感器IC,汽车电子元器件必须遵守一些最高的可靠性标准,以确保车辆在其整个生命周期内的安全性。eerednc

随着电动汽车的不断进步和发展,以及汽车行业的法规越来越严格,隔离将成为满足质量和安全要求的关键技术。作为实现多种类型汽车系统的重要组成部分,隔离通过切断接地回路以提供电路之间的隔离,解决了日益紧凑的系统中的噪声问题。此外,隔离器是在高电压下,确保财产和人身安全的一个重要方面。eerednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:The Future of EVs Depends on Isolation,由Ricardo Xie编译。)eerednc

责编:Ricardo
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