随着电动汽车技术的出现，高压电池和高功率电子设备成为电池系统和电气传动系统的关键部件，这给电动汽车技术的发展提出了新的挑战。这些高压高功率电子设备要想正常运转，需要与低压控制器通信并由其控制，以及对其进行合理全面的诊断。这就需要在低压控制器和高压大功率电气系统之间进行电气隔离，否则低压控制器很容易损坏。在这些应用中，电流隔离（通常基于半导体隔离）是必须的，以允许低压控制器安全地和现代EV高压系统进行连接。本文简单介绍一下电气隔离技术在电动汽车中的应用。

1. EV系统概述

为了与传统的燃油汽车进行竞争，EV/HEV中使用的电池必须具有非常高的能量存储密度，很小的自泄漏电流并且能够在短时间内充电。此外，电池管理系统和相关的电源转换系统必须具有最小化尺寸和重量，并在向电动机提供高效供电的时候“啜饮”电池电流。现代EV/HEV设计在传动系统和能量存储/转换系统中使用模块化部件，EV/HEV电池管理系统通常包括四个主要电路组件：

（1）车载充电器（OBC）：锂离子电池提供的能量存储由车载充电器进行充电，该充电器由具有功率因数校正的交流-直流转换器组成，并由电池管理系统监控。

（2）电池管理系统（BMS）：电池单元由BMS监控和管理，以确保高效和安全。BMS控制各个电池的充电、健康状态、放电深度和调节。

（3）DC/DC转换器：DC/DC转换器将高压电池连接到内部12V直流网络，该网络为车载附件提供电源并向本地开关转换器提供偏置。

（4）主逆变器：主逆变器驱动电动机，用于再生制动，并将能量返回到电池。

如下图所示展示了这些系统以及需要在EV中控制或通信的其它子系统。

EV系统需要强大的高性能电气隔离，以便与低压控制器连接，从而可以保护它们免受300V以上高压的影响。由于高电流和电气开关，低压控制器通常需要在嘈杂的环境下将数字信号发送到位于高压系统中的其它组件。此外，高功率晶体管需要由低压控制器控制和隔离，低压控制器也需要测量系统中其它高压部分的电流或电压。

2. 车载充电器

车载充电器负责将标准的交流电转换为可用于对EV中的电池包充电的高压直流电，其系统框图如下图所示。

OBC系统的输入为交流输入电源，通过全波整流器将其转换为高压直流总线电压，并提供功率因数校正。产生的直流信号被斩波成开关方波，用于驱动变压器以产生所需的直流输出电压。输入信号的斩波由隔离栅极驱动器（例如Silicon Labs的Si8239x器件）完成。

在隔离栅极驱动器的控制下，可以使用同步场效应晶体管（FET）将输出电压滤波成最终直流电压。使用隔离的模拟传感器（如Silicon Labs的Si892x器件），输出电压能够被监视，向系统控制器提供闭环反馈。

整个系统可以通过隔离的CAN总线进行监控。CAN总线通过数字隔离器进行隔离，这些隔离器有时也带有集成的DC/DC电源转换器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔离器。

3. 电池管理系统（BMS）

下图所示为一个简化的BMS系统，展示了BMS系统在与其他EV子系统连接时信号和电源的电气隔离。

BMS的主要功能是为了提高电池的利用率，防止电池出现过充或过放，延长电池的使用寿命，监控电池的状态，因此它不可避免要与高电压发生关系。从上图能够看出，BMS中单体电池的电压、电流和温度由电池管理芯片实时采集，采集后的数据通过SPI总线发送至单片机，中间通过Si86xx芯片隔离。因为很多采样线是要从电芯拉到远端的，浪涌电流可能会通过这些导线进入主控电路，如果不进行隔离，主控电路可能会损坏，导致系统故障。而进行隔离后，即使有损坏也只是采样电路损坏，这样主控电路还能够及时进行故障报警，控制开关断开，提高了整个系统的可靠性和安全性。

4. 电机驱动系统

电机驱动系统需要从动力电池包中获取高压直流能量来驱动电机转动，因为大多数电动汽车中的电机是交流感应式的，所以为了驱动电机，电机驱动系统必须将电池包的高压直流信号逆变为交流信号，在这个过程中会产生大量高压干扰信号。为了保护低压控制器，就要在电机驱动器和功率晶体管之间采用隔离驱动器，使得低压控制器安全地开关高功率晶体管以产生交流驱动信号。另外，电机驱动系统中可能存在隔离的CAN总线，并且通过一定的方法来测量电机的电流，以监控速度和转矩等。下图所示为一个简化的电机驱动系统。

5. 隔离CAN总线

在上面介绍的这些高压系统中，除了在各子系统内部需要采取隔离措施外，它们与外界通信的接口一般也要采取隔离措施，如采用隔离CAN总线等。典型的隔离CAN接口电路如下图所示。

很多芯片公司都提供具有隔离功能的CAN接口芯片，它们除了对数据通信线路提供隔离功能外，还集成了隔离的电源芯片，大大简化了设计。此外，它们还提供了不同的隔离电压等级，可以根据具体的设计需求选择合适的芯片。

总结

汽车行业电气化的竞争正在加速，汽车内部的电动化电气化设备越来越多。电池系统、充电系统和电机驱动系统内部的高电压和高电流给其它低压系统带来了很大的威胁，因此必须在它们之间采取高性能的电气隔离措施，以确保整个系统安全可靠地运行。对于电动汽车从业者来说，要深刻理解各种电气隔离技术的原理及各自的适用环境，设计出更加可靠的系统。