電動車的未來取決於隔離
作者 : Travis Lenz
隔離是一個相對較新且迅速興起的行業，僅在過去幾十年才存在，但已成為眾多應用的重要組成部分。在車輛中，隔離器很有價值，因為低壓數位控制器必須與高功率電子設備通信並對其進行管理。
多年來，電動車(EV)行業的成長勢頭迅猛，絲毫沒有放緩的跡象。一些報告預測，到2040年，電動車將占據至少75%的汽車市場。隨著汽車設計繼續朝著電氣化方向發展，高功率電力電子設備已成為新型電子傳動系統和電池系統的關鍵，這對於汽車從A點移動到B點至關重要。
然而，在這些高電壓下運行也會帶來電源尖峰的風險，可能會損壞車內的電子設備或對車內人員造成致命電擊。由於這些風險，隔離仍然是推動不斷成長的EV市場發展的關鍵技術。
隔離在電動車中的重要性
CMOS隔離器允許數位控制器安全地與現代電動車的高壓系統連接。為了正常運行，這些低壓控制器和IC需要與電機等高功率系統電氣隔離，否則它們可能會出現錯誤或完全運行失敗。
汽車行業的法規越來越嚴格，安全始終處於最前沿。與在表面上不那麼惡劣的環境中運行的資料中心或電信應用程式相比，情況尤其如此。汽車行業的風險更高，因為任何類型的硬體或軟體故障或元件退化都會對車輛本身的性能產生不利影響，這通常會使駕駛員、乘客和行人處於危險之中。
隨著EV的進步，抗雜訊也是一個日益嚴峻的挑戰。隨著EV內部的系統變得更加緊湊，它們內部的元件被放置得更近，這意味著它們在電路板上固有地相互干擾著。EV中使用的任何電路都會產生雜訊，並將其傳導到系統中。在具有高壓瞬變的環境中，如前面提到的汽車環境，這種雜訊產生會被放大。
對於像類比數位轉換器(ADC)、感測器和車輛中極低電壓的微控制器(MCU)等設備，這種雜訊會導致測量偏差、過熱和其他對功能產生負面影響的問題。隔離器消除了接地回路引起的雜訊，因為它們在兩個電路域之間提供電流隔離。簡單地切斷接地回路就可以極大地提高敏感電路的性能，並降低系統的整體雜訊水準。
需要隔離的地方
EV的多個區域需要隔離以實現功能和安全。
電池管理系統(BMS)
為了保持與傳統內燃機汽車的競爭力，EV中使用的電池需要非常高的能量存儲密度、極低(接近於零)的自漏電流和快速充電的能力。BMS監控和管理電池以確保高效率和安全性。
BMS控制單個電池壽命的不同方面，包括充電和放電監控、溫度、調節、損耗均衡和電池的整體健康狀況。該系統的另一個關鍵功能是管理車載高壓電池中存儲的電力，並為車輛的其餘部分供電。這些功能中的每一項都需要電流隔離，將低壓系統與高壓域分開，這對安全保證至關重要。
車載充電器(OBC)
出於多種原因，隔離在OBC內部很有用，最顯著的原因是促進系統轉換功率的能力。為了給EV的電池組充電，OBC需要將來自牆上插座或牆上充電器的120V或240V交流電轉換為高壓直流母線，同時還提供功率因數校正(PFC)。隔離式柵極驅動器可將生成的直流信號調製為方波以驅動變壓器，從而產生所需的輸出直流電壓。此外，整個系統可以通過數位隔離器隔離的控制器局域網(CAN)匯流排進行監控和控制。
DC/DC轉換器
EV中使用高壓至低壓DC/DC轉換器將直流電壓從一個電壓域轉換為另一個電壓域，從而為多個輔助系統供電。它們將來自高壓汽車電池(200-800V)的直流電轉換為內部12V或48V直流網路中的較低電壓。這為汽車配件提供動力，包括雨刮器和車窗電機、前燈和車內燈、風扇和泵，以及其他幾個汽車系統。
在此用例中，與BMS一樣，需要電流隔離，以便在控制系統和高壓域之間形成隔離。此外，與OBC系統一樣，該系統也可以通過汽車匯流排進行調節，例如帶有數位隔離器的隔離式CAN。
牽引逆變器
牽引逆變器為EV的傳動系統提供動力，是可識別vroom的來源，用於將存儲的直流高壓電從電池轉換為交流電以驅動牽引電機。牽引逆變器將車載高壓電池的直流電轉換為交流電，以驅動電動車的主電機。
逆變器不僅驅動電動機，還用於再生制動、開關保護、升壓和將未使用的能量返回到電池等功能。這些功能中的每一個都需要隔離，以便在控制系統和高壓之間提供屏障：由於牽引逆變器在400V和800V電池之間轉變，因此隔離可能導致電擊的危險電壓至關重要。
結論
由於這些原因，更多的標準正在實施，這些標準要求在各種汽車電子元件之間進行某種形式的隔離，此外還有電子器件和消費者之間的隔離。例如，關於CMOS隔離器，IEC 60747-17標準要求進行與時間相關的電介質擊穿測試，以確定隔離器在其使用壽命期間的累積故障率，這最終表明了其屏障的穩健性。從網路控制器到感測器IC，汽車電子元器件必須遵守一些最高的可靠性標準，以確保車輛在其整個生命週期內的安全性。
隨著電動車的不斷進步和發展，以及汽車行業的法規越來越嚴格，隔離將成為滿足品質和安全要求的關鍵技術。作為實現多種類型汽車系統的重要組成部分，隔離通過切斷接地回路以提供電路之間的隔離，解決了日益緊湊的系統中的雜訊問題。此外，隔離器是在高電壓下，確保財產和人身安全的一個重要方面。
本文刊登於EDN China網站
(參考原文：The Future of EVs Depends on Isolation，By Travis Lenz)
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