光耦助力提升電動(dòng)汽車充電站的安全與效率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效率提升是相當(dāng)顯著的。這些設(shè)計(jì)分別采用了配有合適緩沖階的AC PL-W346和ACPL-339J，并與8-A、100-kHzSEPIC dc-dc轉(zhuǎn)換器中的Cree C2M SiC MOSFET協(xié)作。當(dāng)阻斷電壓為600-V的時(shí)候，基于SiC MOSFET的系統(tǒng)要比常規(guī)的基于IGBT的設(shè)計(jì)的效率高4%(圖4)。圖5是使用ACPL-339J驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET 的簡(jiǎn)化連接回路。

圖5 這張圖展示了使用ACPL-339J 以驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的簡(jiǎn)化連接回路

電壓和電流檢測(cè)

電動(dòng)汽車的電池充電主要有以下三種方式：恒定電壓、恒定電流，以及兩者的組合。大多數(shù)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)在充電過程的初始階段使用恒定電壓，然后在最后階段使用恒定電流充電。為有效使用這些充電方法，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和幾個(gè)分路的電流需要進(jìn)行測(cè)量并反饋給MCU進(jìn)行計(jì)算，從而相應(yīng)地調(diào)整PWM信號(hào)。例如，在圖3中，直流鏈路和充電器輸出的電壓需要進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)測(cè)，并確保準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了電壓信息，PFC系統(tǒng)——經(jīng)過輸入和輸出軌中的電力也需要進(jìn)行測(cè)量。

不少有關(guān)高效率充電系統(tǒng)的研究將電壓和電流信息作為控制算法和電力計(jì)算中的基本參數(shù)——在這種計(jì)算當(dāng)中信息的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。充電電壓、電流和充電時(shí)間構(gòu)成了充電過程中的能耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為充電費(fèi)用賬單。因此，需要將測(cè)量精確度保持在一定的水平。

測(cè)量較高電壓的一種常見方法是使用電阻分壓器將電壓降低到一個(gè)適當(dāng)?shù)乃?。然后，線性傳感芯片將測(cè)量電壓，并將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU。電流檢測(cè)電路經(jīng)常采用精密分流電阻將電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)，然后通過一些信號(hào)調(diào)節(jié)器件發(fā)送給MCU。

然而，將信號(hào)從高壓領(lǐng)域如PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)精確傳送到低壓控制器一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是由于在這些兩個(gè)區(qū)域會(huì)發(fā)生較大的切換噪音和接地回路噪音。這些常見的電路問題會(huì)破壞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，損壞MCU，并威脅用戶安全。在這些情況下，隔離放大器如ACPL-C87X和ACPL-C79X系列都能夠很方便地檢測(cè)電壓和電流。

圖6這個(gè)回路提供高壓測(cè)量功能，可轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的對(duì)地參考輸出

使用ACPL-C87X隔離電壓傳感器相當(dāng)簡(jiǎn)單。帶有ACPL-C87X的直流電壓感應(yīng)回路請(qǐng)見圖6。假設(shè)VIN的ACPL-C87X額定輸入電壓為2V時(shí)，用戶需要根據(jù) R1 = (VL1-VIN)/VIN × R2來選擇電阻R1。例如，如果 VL1 為600 V，R2為10kΩ，則R1的值為2990 k?。

幾個(gè)電阻可以組合起來以匹配目標(biāo)值。例如，將2MΩ、430kΩ的和560kΩ電阻串聯(lián)起來，電阻恰好等于2990千歐。降低的輸入電壓先通過R2和C1形成的抗混疊濾波器過濾，然后交由ACPL-C87X檢測(cè)。隔離差分輸出電壓(VOUT + - VOUT-)經(jīng)由后置放大器(U2)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)(VOUT)。VOUT和高壓側(cè)的線電壓呈線性比例關(guān)系，可以安全地與系統(tǒng)微控制器連接。ACPL-C87X的典型增益值為1，總傳遞函數(shù)就是VOUT = VL1/(R1?R2+1)。

使用隔離放大器來檢測(cè)電流也很簡(jiǎn)單。只要把分流電阻和輸入端相連然后通過隔離柵獲取差分輸出(圖7)。通過使用合適的分流電阻，大小不一的電流——從不到1A到超過100A，都可以進(jìn)行測(cè)量。

圖7　通過使用合適的分流電阻，從不到1A到100A+的電流都可以進(jìn)行測(cè)量

在操作當(dāng)中，電流流過分流電阻，產(chǎn)生的模擬壓降信號(hào)會(huì)被ACPL-C79X檢測(cè)到，差分輸出電壓在光隔離柵的另一端形成。該差分輸出電壓和電流振幅成比例，并可以通過運(yùn)算放大器，如圖6中的后置放大器轉(zhuǎn)換為一個(gè)單端信號(hào)，或者直接發(fā)送到控制器自帶的的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。

數(shù)字通信

先進(jìn)的控制方案對(duì)于實(shí)施充電站和電動(dòng)汽車之間的充電控制協(xié)議是有必要的。這是另一個(gè)容易出現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域。例如，SAE J1772詳細(xì)說明了為AC Level 1 和2使用工作周期調(diào)變手段控制導(dǎo)頻信號(hào)通信的方法。對(duì)于直流充電所需的數(shù)字通信而言，SAE委員會(huì)正在更新J2931，提出了有關(guān)控制導(dǎo)頻信號(hào)或輸電干線(mains)的電力線通信(PLC)計(jì)劃。特斯拉參與了SAE委員會(huì)的這個(gè)工作，并決定使用和SAE J1772一樣的信號(hào)控制方案。

最流行的充電標(biāo)準(zhǔn)CHAdeMO(基于快速充電式電動(dòng)汽車的銷量)選擇控制器局域網(wǎng)(CAN)進(jìn)行快速充電。據(jù)日本協(xié)會(huì)的網(wǎng)站顯示，由于直流快速充電器輸入達(dá)到500-V / 100-A，如果出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致致命事故。為此，通信的高可靠性是必需的。該協(xié)會(huì)認(rèn)為CAN作為汽車電子控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信方式已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間的高可靠記錄。據(jù)報(bào)道，作為電子控制單元(ECU)用于控制充電過程的一種通信方法，其噪聲容忍度超過PLC方法(“常問問題——技術(shù)”)。

CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)提供了一對(duì)CAN總線，以將耦合器界面上的充電器和車輛連接起來。耦合器管腳8和9被分別命名為CAN-H和CAN-L(“技術(shù)詳情”[注13])，可讓CAN收發(fā)器連接。

在CAN收發(fā)器和CAN控制器之間添加光隔離功能可顯著提升系統(tǒng)的安全性，因?yàn)楣怦钐峁┑陌踩珫趴梢苑乐箤⑷魏螕p害級(jí)聯(lián)到系統(tǒng)MCU。這種配置可提高極高噪音環(huán)境(如高電壓的電池充電系統(tǒng))中數(shù)據(jù)通信的可靠性。圖8顯示了如何使用光耦為快速充電站設(shè)計(jì)部署隔離CAN總線數(shù)字通信方案的方法。類似的回路也適用于車內(nèi)系統(tǒng)。

圖8　該設(shè)置為快速充電站設(shè)計(jì)提供隔離的CAN總線數(shù)字通信

在圖8中，一對(duì)10-MBd 快速光耦合器(部分ACPL-W61L)被用來傳輸和接收數(shù)據(jù)。這個(gè)產(chǎn)品僅需要1.6 mA 的LED電流，其SSO-6封裝不足傳統(tǒng)DIP-8封裝一半大小。按照UL1577的標(biāo)準(zhǔn)，ACPL-W61L每分鐘可以承受5000VRMS 的高壓。這部分按照可在高瞬變?cè)肼曋袀鬏斝盘?hào)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其共模瞬變抗擾度(CMTI)可達(dá)到 35 kV/μs[注30]。 為適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，可用其他光耦代替ACPL-W61L。這包括5-MBd級(jí)別的ACPL-W21L和25-MBb的雙通道雙向ACSL-7210。

結(jié)論

在探索使用相對(duì)便宜的電力能源的同是，電動(dòng)汽車終將有助于減少全球運(yùn)輸業(yè)對(duì)石油的依賴。它們還將有助于減少溫室氣體和其他污染物的排放，并將隨著在發(fā)電投資組合中引入更多的可再生能源而得到進(jìn)一步的改善。

電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施是推動(dòng)電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)廣泛采用的一個(gè)關(guān)鍵因素。在一個(gè)電動(dòng)汽車充電站當(dāng)中，尤其是對(duì)于直流快速充電而言，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)采用復(fù)雜的電力系統(tǒng)來為電池提供足量的電力。安全隔離是必要的，因?yàn)榈碗妷嚎刂葡到y(tǒng)、高壓電力系統(tǒng)、以及用戶可訪問的用戶界面都同時(shí)存于一個(gè)單一的充電站當(dāng)中。

電動(dòng)汽車充電器的另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素是電力轉(zhuǎn)換效率。光耦，如柵極驅(qū)動(dòng)器、電壓/電流傳感器和數(shù)字通信光耦都在單一封裝當(dāng)中提供安全隔離功能和各自的電氣功能，從而引領(lǐng)朝著系統(tǒng)朝著高效的方向發(fā)展。