Annons

Elbilar kräver galvanisk isolation

Galvanisk isolation ger högre säkerhet, prestanda och tillförlitlighet i el- och hybridfordon. Det hävdar Don Alfano, Director of Isolation Products, Silicon Labs som här ger några exempel.

Den teknologi som används i elfordon (EV – electric vehicle) och hybridfordon (HEV – hybrid electric vehicle) befinner sig fortfarande i ett utvecklingsstadium. Men oron över den framtida tillgången till fossila bränslen liksom framtida miljöproblem ger anledning att påskynda nytänkandet inom denna framtidsområde.
EV/HEV-fordon ger löften om bättre energiutnyttjande och minskade utsläpp, och på sikt kommer de också att kunna konkurrera med fordon drivna med fossila bränslen vad gäller pris och prestanda.
För att EV/HEV-fordonen skall kunna konkurrera med dagens fordon måste de batterier som används i dem ha mycket hög energilagringstäthet och nästan inga läckströmmar, och dessutom gå att ladda på minuter snarare än på timmar.
Dessutom måste systemen för batterihantering och effektomvandling ha minimal vikt och storlek. De måste också vara ”sparsamma” med batteriströmmen, samtidigt som de med hög verkningsgrad levererar stora mängder effekt till elmotorn.

Fem viktiga delsystem
I moderna EV/HEV-fordon används modulära komponenter i drivlinan och systemen för energilagring/omvandling. Systemet för batterihantering är uppbyggt av fem viktiga delsystem:
* Laddare i fordonet: Energin lagras i litium-jon-batterier på 400 – 450 V som laddas med ett laddningssystem bestående av en AC/DC-omvandlare med effektfaktorkorrigering (PFC) som övervakas av ett system för batterihantering (BMS). Denna laddare måste klara en mängd olika externa laddningskällor, alltifrån 110 V enfas till 380 V trefas.
* Batterihanteringssystem: Battericellerna övervakas och hanteras av ett batterihanteringssystem (BMS) för att uppnå hög verkningsgrad och säkerhet. BMS övervakar laddningen, hälsotillståndet, graden av urladdning samt konditioneringen av de individuella battericellerna.
* DC/DC-omvandlare: DC/DC-omvandlaren förbinder högspänningsbatteriet med det interna elnätet på 12 VDC, vilket också ger effekt till olika tillbehör och matningsspänning till de lokala switchade omvandlarna. DC/DC-omvandlaren är vanligen reversibel så att energi kan överföras både till och från batteriet.
* Inverterare för tillbehör: Moderna fordon använder remmar för att driva motortillbehör som luftkonditionering och pumpar för servostyrning. EV/HEV-fordon kräver en speciell inverterare för att generera den nödvändiga effekten till dessa tillbehör.
* Huvudinverterare: Huvudinverteraren driver elmotorn, men används också för regenerativ bromsning och återtransport av oanvänd energi till batteriet.


Fig 1. Viktiga elektriska delsystem i ett EV/HEV-fordon.

Galvanisk isolation
I EV/HEV-fordon med modulära delsystem förekommer olika kombinationer av fasta och flytande jordspänningar, och dessutom spänningsskillnader mellan olika moduler och lokala (och potentiellt livsfarliga) batteri- och laddningsspänningar. Detta betyder att galvanisk isolation är en nödvändighet vid konstruktion av el- och hybridfordon.
Vad är galvanisk isolation, och vilken roll spelar den vid konstruktion av elektriska system? Galvanisk isolation åtskiljer olika funktionella sektioner av det elektriska systemet så att ström inte kan flyta mellan dessa sektioner, samtidigt som energi och information kan utväxlas mellan dem.


Fig 2a. Grunden för hur isolation verkar.

I fig 2a demonstreras detta koncept med ett enkelt exempel där data utväxlas mellan kretsarna A och B. De båda kretsarna drivs av de separata matningsspänningarna VDD1 och VDD2, som ger 5 V på vardera sidan av isolatorn.
En pulssignal på 5 V relativt jordpotential som matas in i krets A överförs noggrant till utgången på isolatorn, utan att det under någon del av transaktionen flyter någon ström mellan GND1 och GND2. Impedansen mellan GND1 och GND2 blir i själva verket oändlig, men ändå har data kunnat utväxlats mellan de båda isolerade kretsarna, allt enligt definitionen på galvanisk isolation.
Med galvanisk isolation uppnås tre viktiga kretsegenskaper som har avgörande betydelse vid konstruktionen EV/HEV-fordon: säkerhetsisolation, nivåskiftning av spänningar samt reducering av jordstörningar. Säkerhetsisolationen skyddar såväl de elektriska systemet som människor från skador orsakade av farligt höga spänningar.


Fig 2b. Exempel på ”common mode”-spänning (likfasig spänning).

Fig 2b visar exempel på säkerhetsisolation, nivåskiftning och nivåomvandling. Krets A ”flyter” på en 1 000 V common-mode-spänning och överför en digital insignal på 0 till 25 V genom isolationsbarriären till krets B. Eftersom krets B drivs av en källa på 5 V med referens till jordpotential skiftar barriären common-mode-spänningen på 1 000 V ned till jordpotentialen GND2 (0 V). Detta har också ökat säkerheten, eftersom spänningen på 1 000 V på ingången har skiftats ned till 0 V på utgången. Observera också att insignalen på 25 V har omvandlats till en signal på 5 V på isolatorns utgång.


Fig 2c. Ett exempel på hur störningar på jordledning kan minskas.

Fig 2C visar hur isolation kan reducera eller helt eliminera jordstörningar. Det övre diagrammet visar en signal på 5 V som överförs på en lång kretskortsledning med hög induktans, vilket ger upphov till jordstörningar. Det nedre diagrammet visar hur en isolator drastiskt kan minska den faktiska ledningslängden, vilket minskar jordstörningarna.
Fördelarna med digital isolation kan användas i olika kombinationer för att göra elektriska system i EV/HEV-fordon säkrare och tillförlitligare. Blockschemat i fig 3 över en huvudinverterare visar var isolationen används.
Här uppnås säkerhetsisolation, nivåskiftning och omvandling av spänningsnivåer mellan det högspända motordrivsystemet och olika funktioner i den lågspända motorstyrkretsen. På liknande vis används isolation mellan styrkretsen och drivsystemet.
En isolerad DC/DC-omvandlare används i en återkopplingsslinga för att garantera att ingen ström flyter mellan primär- och sekundärsidorna. Detta eliminerar risken att det uppstår spänningsgenombrott eller läckströmmar till lågspänningskretsarna. Slutligen skyddas ett antal sensorer med hjälp av lineära eller digitala isolatorer.


Fig 3. Isolation i huvudomvandlaren.

Switchad effekt i EV/HEV-fordon
Switchade effektomvandlare utgör en viktig del i EV/HEV-system, och de används i huvud- och tillbehörsinverterarna, DC/DC-omvandlaren för 12 V-nätet samt batteriladdaren. Dessa omvandlare överför spänningar och strömmar så att kraven från de enheter som de driver uppfylls, och här används isolation för att uppnå säkerhet och nivåskiftning.


Fig 4. Blockschema för DC/DC-omvandlare för 12 V-nätet.

Fig 4 visar ett blockdiagram över batteriladdarens inre AC/DC-omvandlare. Inspänningen kommer här från en extern infrastruktur, t ex en laddningsstation. Denna AC-inspänning omvandlas omedelbart till DC av en likriktare med filtrering och konditioneras av kretsen för effektfaktorkorrigering (PFC).
Den konditionerade spänningen ”hackas” sedan till pulser av en switchenhet och matas in på transformatorns primärsida. På sekundärsidan likriktas och filtreras pulserna till en DC-spänning.
Effektstyrkretsen arbetar med en sluten slinga och övervakar mängden energi som överförs tills batteriet är fulladdat. Här har olika isolationskomponenter viktiga uppgifter. Transformatorn isolerar effektöverföringen mellan omvandlarens primär- och sekundärsidor, medan lineära isolatorer av säkerhetsskäl skiftar spänningsnivån för strömsensorn, högspänningsdetektorn och återkopplingssignalen. En digital isolator ger säker isolation för CAN-styrkretsens bussgränssnitt.


Fig 5. Detta förenklade schema visar elsystemet för ett hybridfordon (HEV).

Fig 5 visar var och hur isolationskomponenter används i ett förenklat system för hybridfordon (HEV). Här ställs konstruktören inför svårare tekniska utmaningar än i vanliga elfordon p g a den extra komplexitet som en liten gasdriven motor kräver av drivlinan. Detta komplicerar såväl den mekaniska drivlinan som elektroniken.
Observera att gasmotorn styrs av en speciell motorstyrmodul (ECM). Denna innehåller ett isolerat CAN-bussgränssnitt som gör att HV-ECU-enheten med sin relativt lägre spänning kan kontrollera motorhastighet, timing och andra nyckelparametrar.
Observera också att jordpotentialen hos temperatursensorn för M/G-enheten har isolerats från jordpotentialen hos HV-ECU-enheten för att uppnå säkerhet och spänningskompatibilitet. På liknande sätt isoleras huvud- och tillbehörsinverterarna, laddaren och 12 V DC/DC-omvandlaren från varandra i de fall de har olika spänningar eller jordpotentialer.

Förbättrad systemintegration
Konstruktion av EV/HEV-fordon måste i allt högre grad inriktas mot lägre fordonsvikt, förbättrad batteriteknologi och utökade möjligheter till effektomvandling. Detta kräver i sin tur innovationer inom switchningstopologier och mer storskaliga IC-kretsar på systemnivå. Moderna isolationskretsar i CMOS ger förbättringar av prestanda. Men de största fördelarna med digital isolation ligger nog i möjligheterna till integration med andra funktioner för att få fram isolerade enchipssystem.
Isolationsenheter förekommer överallt i EV/HEV-fordon, och de har avgörande betydelse för både fordonet och operatören. De ger säkerhetsisolation och sömlös nivåskiftning, samtidigt som de eliminerar jordstörningar. Härigenom förbättrar de såväl fordonens prestanda som dess tillförlitlighet.

 

Comments are closed.