雖然電動車(EV)和混合動力電動車(HEV)技術發展仍然處於演進階段,但對於長期的碳氫燃料供應和環境議題的擔憂,為這個新興汽車市場提供了加速創新步伐的動力。電動車和混合動力車可以提高效率、減少排放,並實現與燃氣動力車相媲美的價格和性能。

為了與現有車輛競爭,EV/HEV中使用的電池必須具備非常高的能量儲存密度,接近零自漏電流,並且能在幾分鐘而非幾小時內完成充電。此外,電池管理和相關電源轉換系統必須將尺寸和重量最小化,並且能夠有效地向電動馬達提供大量電力。

EV/HEV電池管理系統通常包括五個主要電路組件:

  • 車載充電器:能源儲存由400V及更大的鋰離子電池組構成,採用具備功率因數校正(PFC)的交流-直流(AC-DC)轉換器組成之車載充電器充電(OBC),並由電池管理系統(BMS)監控。該充電器適用於各種外部充電電源,從110V單相AC電源到380V三相AC電源。
  • 電池管理系統:電池單元由BMS監控和管理,以確保高效和安全。BMS控制各個電池的充電、健康狀態、放電深度和調節。
  • DC/DC轉換器:DC/DC轉換器將高壓電池連接到內部12V DC網路,該網路也為周邊配件供電並向本地開關式轉換器提供電源偏置。
  • 輔助逆變器:現代汽車使用皮帶驅動引擎配件,如空調和動力轉向幫浦。EV/HEV需要輔助逆變器來產生驅動這些配件所需的電力。
  • 主逆變器:主逆變器驅動電動馬達,也用於再生剎車—將未使用的能量回充到電池。

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圖1:EV/HEV主要電氣裝配位置。

電流隔離

模組化的EV/HEV電路組件具備固定和浮動接地組合,模組之間的不同電壓,以及本地(和可能致命的)電池和供電電壓。有鑑於這些情況,電氣隔離是電動車和混合動力車設計中的必要條件。

什麼是電氣隔離?它在電氣系統設計中發揮著什麼作用?電氣隔離使電氣系統的功能部分絕緣,防止電流在各部分之間流動,同時允許在各部分之間交換資訊。圖2透過電路A和B之間的簡單隔離資料交換,展示了這一個概念。專用偏置電源VDD1和VDD2在隔離器的各自側面提供5V電源。參考5V接地的脈衝序列從電路A輸入,準確地傳輸到隔離器輸出,在傳輸期間完全沒有電流通過GND1和GND2之間。換句話說,GND1和GND2之間的阻抗有效地產生開路,並且如在電氣隔離定義中所述,在兩個絕緣電路之間完成了成功的資料傳輸。

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圖2:基本的隔離器行為。

數位隔離的好處是適用於各種組合,使EV/HEV電氣系統更加安全和可靠。圖3中的主逆變器方塊圖展示了使用隔離的位置。隔離在相位電流和電壓測量電路中的高壓馬達驅動和低壓控制器之間,提供安全隔離、電平位移和電壓轉換。同樣地,隔離驅動器在驅動器和高壓馬達驅動電路之間,提供這些相同的功能。隔離式DC/DC轉換器在反饋迴路中使用線性安全隔離,確保電源的初級側和次級側之間沒有電流流動,排除高電壓崩潰或洩漏到低壓電路的可能性。最後,線性或數位隔離器能夠用於感測器之間,以實現安全、電平位移、電壓轉換和減少可能的接地迴路。

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圖3:主逆變器中的隔離。

EV/HEV的開關電源

開關式電源轉換器是EV/HEV系統的重要部分,用於主逆變器、輔助逆變器、12V網路DC/DC轉換器和電池充電器。這些轉換器可以轉換電壓和電流,以滿足裝置的供電需求,並使用隔離來保障安全和電平位移。

圖4顯示了電池充電器內部AC-DC轉換器的方塊圖,其中輸入電壓由外部基礎設施(例如充電點)提供。如圖所示,充電器的AC輸入透過輸入整流器和濾波器,立即轉換為DC,並由PFC電路調節。然後,經過調節的DC電壓被初級側開關電路「斬波」成脈衝,並應用於變壓器初級。變壓器「縮放」電壓和電流脈衝,以滿足充電器的輸出需求。次級側電路對高頻脈衝進行整流和濾波,將其轉換為DC。

電源控制管理閉迴路操作,並監控傳輸到電池的電量,直到電池完全充滿為止。在此範例中,隔離元件提供了幾個重要功能:變壓器隔離了轉換器初級側和次級側之間的功率傳輸;線性隔離器為電流感測器提供安全隔離的電平位移、高壓檢測和反饋控制訊號;數位隔離器為控制器區域網路(CAN)匯流排介面提供安全隔離。

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圖4:DC/DC(12V網路)轉換器。

圖5顯示了在簡化的HEV系統中隔離元件的使用位置和方式。與EV相比,HEV呈現更加困難的技術挑戰,因為電力傳動系統中的小型燃氣發動引擎的複雜性增加了。這種增加使機械傳動系統和電子設備複雜化。請注意,圖4中的燃氣引擎由專用引擎控制模組(ECM)管理,該模組包括一個隔離的CAN匯流排介面,使相對較低電壓的HV ECU能夠管理引擎轉速、調速和其他關鍵參數。也請注意,馬達/發電機(M/G)溫度感測器隔離將感測器接地而與HV ECU接地進行隔離,保障安全和電壓等級的相容性。此外,主逆變器和輔助逆變器、充電器和12V網路DC/DC轉換器,在處於不同接地電位或高電壓的情況下,都能夠有效隔離。

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圖5:簡化的HEV電氣系統方塊圖。

加強系統整合

電動車和混合動力車設計必須持續減少車輛的重量、改善電池技術,並提升動力轉換系統性能。反之,這些進步將需要在開關電源拓撲和更大規模的系統級IC進行創新。雖然目前CMOS隔離元件提升了效能,但數位隔離的最大好處也許是它能與其他功能整合以形成單晶片的隔離系統。

隔離元件在EV/HEV應用中無處不在,對於車輛和操作者的安全至關重要。這些元件提供安全隔離、無縫電平位移、消除接地雜訊,最終增強汽車效能和可靠度。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年9月號