随着电动汽车技术的发展，大功率电子设备成为电动传动系统和电池系统的关键部件。这些设备的工作电压一般都高达几百伏，并且在工作过程中（比如直流逆变、电动机启停等）产生大量的浪涌、高压脉冲等干扰信号，这些干扰很容易将与其连接的低压设备损坏。因此，为了保护低压设备，需要在低压设备和高压电气设备之间进行电气隔离。本文就来讨论一下电动汽车中跟电气隔离相关的几个问题。

1. 什么是电气隔离

电气隔离是指在电路中避免电流直接从某一区域流到另外一个区域的方式，也就是在两个区域间不建立电流直接流动的路径。虽然电流无法直接流过，但能量或是资讯仍可以经由其他方式传递，例如电磁感应或电磁波，或是利用光学、声学或是机械的方式进行。

电气隔离常用在两个电路的接地电势不同，但彼此需要交换资讯或是能量的场合。电气隔离使两个电路可以不共用接地导体，避免不想要的电流在两个电路之间流动，也就切断了接地回路。电气隔离也用在电气安全上，避免意外产生的电流流到人员身上，因而造成触电。

在电动汽车系统中，电气隔离的作用主要有两个：一是减少高压系统和低压系统之间的信号干扰，提高信号传输的可靠性；二是保护低压系统免受高压系统的损坏，如浪涌等。

2. 为什么电动汽车系统需要电气隔离

汽车中采用混合动力和电动传动系统，在交通运输业引发了前所未有的挑战。原来的12V电压系统需要与400V或更高的电池和电源系统一起工作，这对汽车OEM和系统模块供货商提出了一系列全新要求。电动汽车中的高压对人或低压设备存在威胁，为了防止高压系统或者浪涌电流导致人或设备受伤害，出于安全考虑，高压电池、DC/DC转换器、用于驱动电机的逆变器以及连接到220V/380V电网的车载充电器等都提出了隔离要求。另一方面，这些高压系统与低压控制器之间一般通过CAN或以太网进行通讯，而高压系统产生的浪涌、脉冲或射频等干扰会影响信号的正确传输。如果控制器接收到了错误的数据，会影响控制器的判断而发出错误的指令，导致汽车不能正常行驶，甚至造成严重的事故。因此，这也对高压系统和低压系统之间提出了隔离要求。

总结起来以下三点是电动汽车需要隔离的主要原因：

（1）高电压的安全性：可以安全地使用低压控制器（如3.3V电压）控制高压大功率设备如电机

（2）连接具有不同接地系统的子系统：3.3V区域和400V区域实现可靠的信号传输

（3）抗噪声干扰：两个系统之间没有电气连接，消除噪声

一般来说，目前主流的隔离技术主要有以下几种：

（1）光电隔离

（2）变压器隔离

（3）电容隔离

3.常用的电气隔离技术

下面分析一下这几种隔离技术的工作原理，并比较它们的优缺点。

3.1 光电隔离

工作原理

光电隔离技术通过使用透明绝缘隔离层进行光传输来实现电信号的隔离。透过驱动LED（发光二极管），数字信号从电转换成光。然后通过隔离层传输这个光信号，再用光学检测组件（光电二极管、光电晶体管）将光信号转换回电信号，整个过程如下图所示。

光电隔离优缺点

光电隔离是最常使用的隔离技术。它的优点是通过光来传递信号，所以具有很强的抵抗电气噪声和磁噪声干扰的能力，相比其他隔离技术，它的抗干扰能力最强。但这种技术也有一些不足之处，比如因受LED开关速率限制导致的低信号传输频率、高功耗和LED损耗等，同时它的性能也会随着使用时间而下降，这些缺点都制约了该技术在电动汽车上的进一步应用。

3.2 磁隔离

磁隔离是通过两个线圈之间的磁场变化来实现跨隔离势垒的传递信号，如下图所示，这是利用了两个线圈之间存在互感的特性。当第一个线圈通过变化的电流时会产生变化的磁场，这个变化的磁场会在第二次线圈中感应出变化的电压，这样就完成了信号的传递。两个线圈之间通过绝缘层分离，该绝缘层阻止任何物理信号传递，但允许磁场通过。

磁隔离优缺点

因为共模信号不能在线圈中产生电流，所以磁隔离具有良好的抗共模干扰能力。另外由于是通过磁场传递信号，磁隔离器件具有很高的数据传输速率，可高达几百MHz。但同样是因为通过磁场传递信号，磁隔离对电磁干扰非常敏感，这是它的一个缺点。另外，磁隔离器件的功耗会随着数据传输速率的增加而增加。

3.3 电容隔离

电容隔离技术的原理是电场随电容极板电荷量的改变而改变，据此实现信号传递，如下图所示。

电容隔离优缺点

电容隔离器件的优点是有较强的抗磁场噪声干扰的能力，但容易受到电场噪声的干扰。另外，电容隔离技术能够实现跟磁隔离相近的高数据传输速率，温度和湿度变化对其影响非常小，也具有很长的使用寿命。

虽然在电动汽车中使用了不同类型的隔离技术，但制造商正越来越多地转向基于半导体的现代隔离技术，而不再使用基于光耦合器的解决方案。与光耦合器在要求苛刻的汽车应用中相比，这些现代隔离器具有许多优势，包括更长的使用寿命、显著提高的温度和老化的稳定性、更快的开关速度和更高的抗噪性。

总结

本文讨论了电动汽车中常用的三种电气隔离技术的工作原理和优缺点，也分析了电动汽车中采用电气隔离技术的必要性。电气隔离可以保证电动汽车中的低压系统和人员免受高压系统的伤害，对各子系统之间信号的稳定可靠传输有重要作用。因此，在设计电动汽车系统时，应根据各子系统的特性及系统之间的关系决定是否采用电气隔离设计和采用哪种电气隔离技术，确保整个系统可靠稳定运行。