电动汽车产业发展中的隔离技术

BNEF预计2024年全球电动乘用车（纯电动车和插电式混合动力车）的销量将增长21%，达到1670万辆，其中70%为纯电动车。近年来，电动汽车产业的增势迅猛，且预计在未来将不减反增。到2040年，电动汽车市场份额将可能占据超过75%。在汽车向电气化方向演进的大背景下，高瓦耗电力电子器件成为了推进新一代驱动系统及电池系统创新的核心，目前电动汽车的800V系统已经趋近成熟初期，各大汽车厂商往后也一定会追求更高的电压系统，更高的转化效率。这些组件功能只关乎汽车高效从A点到B点的能力。但是，高电压下的运作也带来了功率峰值风险，可能损害车内电子设备或对乘员安全构成严重威胁。因此，隔离技术成为了电动车市场发展不可或缺的安全保障。

电动汽车中的隔离技术不仅是最近几十年才迅速崛起的新兴行业，它早已成为许多应用领域的核心。车辆中，为了实现低压数控控制器与高功率电子设备的信息交流，隔离器成了桥梁。例如，CMOS隔离器就可保证数控器安全地连接至电动汽车的高压系统。为了保持正常运行，与之类似的低压控制器与高功率系统（如电机）之间必须实现电气隔离，以免出现故障或失效现象。

 

汽车行业法规对安全性要求甚严，比起在较为宽松的环境下运作的数据中心或通信应用，车辆中潜在的故障或部件退化风险更大，它们正面临着对驾驶员、乘员和行人的安全威胁。

 

为了面对日益紧凑的电动汽车内部系统带来的抗干扰问题，隔离技术在电路板上的每个部件之间至关重要。隔离器能够有效削减接地环路带来的噪声，并且在各个电路域之间提供电流隔离，显著提升敏感电路的性能。

 

需要应用隔离技术的关键车辆系统包括：

 

BMS (电池管理系统)：

 

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）的自漏电流以及快速充电的能力。电池管理系统 (BMS) 监控和管理电池单元，以确保高效率和安全性。

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、磨损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向车辆的其他部分供电。这些功能中的每一个都需要电流隔离，它将低压系统与高压域分开，这对于安全保证至关重要。

 

OBC (车载充电器)：

 

出于多种原因，隔离在车载充电器 (OBC) 内部很有用，最重要的是可以提高系统转换功率的能力。为了给电动汽车的电池组充电，OBC 需要将壁式插座或壁式充电器的 120V 或 240V 交流电转换为高压直流总线，同时还提供功率因数校正。隔离栅极驱动器能够将产生的直流信号调制为方波以驱动变压器，然后变压器产生所需的输出直流电压。 此外，整个系统可以通过与数字隔离器隔离的控制器局域网 (CAN) 总线进行监视和控制。

 

DC/DC转换器：

 

电动汽车中使用高压至低压 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，为多个辅助系统供电。它们将高压汽车电池 (200–800 V) 的直流电转换为内部 12V 或 48V 直流网络中的较低电压。这为车辆配件提供电力，包括雨刷器和车窗电机、车头灯和车内灯、风扇和泵以及其他几个汽车系统。

在此用例中，与 BMS 一样，需要电流隔离来在控制系统和高压域之间建立隔离。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 CAN。

 

牵引逆变器：

 

牵引逆变器为电动汽车的传动系统提供动力，用于将电池存储的直流高压转换为交流电，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。

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

 

随着电动汽车的不断进步和发展以及汽车行业的法规变得越来越严格，越来越多的标准正在实施，除了电子设备和消费者之间的隔离之外，还要求各种汽车电子元件之间进行某种形式的隔离。隔离技术不仅解决了系统内部的噪声问题，也保护了财产和人员安全，隔离将成为满足质量和安全要求的关键技术。