1.前言

最近幾年，新能源車正處于高速發(fā)展的快車道，歐美、日韓以及國內(nèi)各大車企都有自己的新能源車計劃，且部分產(chǎn)品已經(jīng)正式與廣大消費者見面，有意向購買新能源汽車的人越來越多，毫無疑問這是大趨勢。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車與混合動力車輛（Hybrid electric vehicle, HEV)）或電動汽車（EV） 之間的主要區(qū)別之一是存在多個電池和電壓等級。內(nèi)燃機由單個 12V 或 24V 電池供電，通常是鉛酸電池。但 HEV 和 EV 使用二次高壓電池，其電壓范圍從 HEV 的 48 V 到更高的電壓——EV 的 400 V 至 800 V。

多個電壓電平的存在需要隔離以保護(hù)低壓電路免受高壓影響。雖然很明顯我們需要對 400V 及以上的電池進(jìn)行隔離，但我們是否需要在 48V 輕度混合動力系統(tǒng)中進(jìn)行隔離？讓我們來了解一下。

2.48V HEV 中的隔離

即使電壓沒有 400 V 或 800 V 高，隔離對于 48 V 混合動力汽車很重要的原因有幾個，包括提高抗噪性和故障保護(hù)。

圖 1 顯示了一個啟動發(fā)電機系統(tǒng)，其中包括 H 橋和場效應(yīng)晶體管 (FET) 的功率級位于 48V 側(cè)。這些 FET 的開關(guān)會導(dǎo)致電壓瞬變 (dv/dt)，這可能會在 48V 接地上產(chǎn)生一些共模噪聲。在沒有任何隔離的情況下，此噪聲將與 12V 側(cè)耦合并影響低壓側(cè)電路的信號完整性。通過在兩側(cè)添加隔離，如圖 1 所示，我們可以提高共模瞬態(tài)抗擾度和信號完整性。

圖 1：48V HEV 中的啟動器/發(fā)電機子系統(tǒng)

在圖2中，48伏電池堆和微控制器（MCU） 的電池管理系統(tǒng)（BMS） 坐落在高電壓側(cè)，同時與使用電子控制單元的MCU進(jìn)行通信控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議 。如果 48V 側(cè)出現(xiàn)故障，電壓可能出現(xiàn)在 12V 側(cè)。低壓側(cè)的電路組件（本例中為 CAN 收發(fā)器）可能無法承受高壓并可能損壞。在低壓側(cè)的CAN收發(fā)器和高壓側(cè)的微控制器之間設(shè)置隔離器，即使高壓側(cè)出現(xiàn)故障，也能確保低壓電路的安全。

汽車電氣和電子元件的 Verband der Automobilindustrie 320 (VDA320) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了故障電流測試 (E48-20)，其中測試電壓施加在 48-V/12-V 柵欄上，預(yù)期電流介于 12 -V 和 48-V 系統(tǒng)必須小于 1 μA。隔離器的存在確保電流符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖 2：48V BMS 框圖

如果我們正在設(shè)計 48-V HEV 系統(tǒng)并尋找與 48-V 側(cè)接口的隔離設(shè)備，則根據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，48-V 側(cè)和 12-V 側(cè)之間的通信有幾個選項。

對于需要串行外設(shè)接口 (SPI)、通用異步接收器發(fā)送器（UART） 或 12V 和 48V 側(cè)之間的通用輸入/輸出 (GPIO) 通信的設(shè)計，我們可以使用數(shù)字隔離器，例如ISO7741-Q1或ISO7721-Q1 ，取決于我們需要的隔離通道數(shù)。

當(dāng)我們使用 I 2 C 通信來節(jié)省信號走線的數(shù)量時，隔離的 I 2 C 設(shè)備如ISO1540-Q1 （雙向數(shù)據(jù)、雙向時鐘）或ISO1541-Q1 （雙向數(shù)據(jù)、單向時鐘）將起到作用。

如果兩端之間存在CAN通信并且需要隔離，則可以在CAN收發(fā)器上串聯(lián)一個像ISO7721-Q1這樣的數(shù)字隔離器，或者使用一個像ISO1042-Q1 這樣的集成隔離CAN設(shè)備來節(jié)省一些空間。

數(shù)據(jù)通信只是解決方案的一部分。我們還必須隔離兩側(cè)之間的電源，這可以使用反激式、反激式或推挽式拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)。對于本地電源（例如，用于隔離 CAN 收發(fā)器的電源），請考慮使用變壓器驅(qū)動器，例如SN6501-Q1、SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1，可與外部變壓器、整流器和低壓降穩(wěn)壓器一起使用, 生成一個簡單的隔離電源，如圖 3 所示。

圖 3：具有穩(wěn)壓輸出的隔離電源的簡單電路

SN6501-Q1、SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1 之間的主要區(qū)別在于每個驅(qū)動器的輸出電流、擴(kuò)頻以減少輻射和不同的開關(guān)頻率。這些選項使我們能夠選擇合適的設(shè)備來滿足系統(tǒng)的排放標(biāo)準(zhǔn)和電源要求。

雖然我已經(jīng)在 48V HEV 的背景下討論了這些解決方案，但這些設(shè)備系列的隔離規(guī)格和更廣泛的封裝選項使這些系列也適用于具有更高電池電壓的 EV。只需稍加修改，就可以在 EV 設(shè)計中重新使用 HEV 子系統(tǒng)中的隔離部分，從而節(jié)省設(shè)計和布局時間。