作者：Silicon Labs以太网供电高级产品经理Charlie Ice

对于熟悉传统发动机的人来说，纯电动汽车（EV）的引擎盖下面是一番神奇的景象。当然，主要区别在于纯电动汽车没有内燃机（ICE, Internal Combustion Engine），而是可能装有电力牵引逆变器。逆变器通常具有相同的尺寸，并且其安装方式类似于传统的发动机。其他系统看起来就不那么熟悉了，但是你很可能辨识出12V电池这个变化不大的组件。

在非电动汽车（non-EV）中，需要12V系统为启动马达供电，该启动马达提供内燃机的初始旋转以启动四冲程燃烧循环。鉴于电动汽车不需要启动马达，因此如果发现电动汽车装有12V电池会让人大为惊讶。但是，大多数电动汽车的电气系统仍以12V电压运行。在没有内燃机或交流发电机的情况下，必须使用高压牵引电池为12V系统完全供电。

这提出了一个有趣的设计要求。牵引逆变器系统很可能在800V左右的DC电压下运行。这个高DC电压会转换为AC，以驱动牵引电机。但是，电动汽车中的牵引电池并不是通过简单地串联多个12V电池去产生800V电压，它是一个密封的单元。该高压系统的加入及其在车辆中的作用意味着12V系统现在通常被当作辅助系统。它为牵引系统（包括牵引控制系统）的所有辅助设备提供动力。

现在，主高压电池负责为12V辅助系统供电，以使电池保持荷电状态。出于安全考虑，操作时需要在两个电压域之间保持电气隔离。

隔离至关重要

典型的电动汽车有许多功能单位，包括牵引逆变器、温度控制和加热系统以及车载充电器。这些系统在完全不同的电压水平下运行，必须进行电气隔离。电气隔离可防止电流在不同电压域之间流动，同时仍支持数据传输和电能流动。

从历史上看，用于数据传输的电气隔离是通过光学技术，借助LED源和光电二极管接收器实现的。但是，汽车市场尤其是电动汽车市场的需求，刺激了数字隔离技术的开发和应用。

辅助电源

辅助电源系统通常由专用模块控制，该模块称为辅助电源模块（APM, Auxiliary Power Module）。这实际上是一个DC-DC转换器，它将牵引电池和转换器的高压（HV）转换为低压（LV）。该低压总线为辅助系统供电并为12V电池充电。最初，这似乎是一个相对简单的功能，但是对电气隔离的需求却带来了额外的复杂性。

许多DC-DC转换器拓扑都使用变压器在同一步骤中提供降压和电气隔离。虽然这是隔离高压和低压电路的有效方法，但确实需要额外的转换步骤才能利用变压器。具体而言，需要将高压从DC转换为AC，然后将低压从AC转换回DC。下图中的电路图显示了通用的全桥实现。

全桥将DC电压转换为AC电压，因此它可以激励绝缘变压器的初级侧，并在次级侧感应出电流。然后需要将次级侧AC电压转换回DC电压。为了使用较小的磁性元件并减小最终解决方案的尺寸和重量，许多系统使用100kHz或更高的开关频率。

图1的示例在变压器的初级（HV）侧使用一个全桥，在次级（LV）侧使用一个全桥同步整流器。高压侧开关的选择将基于成本与效率之间的关系，通常会使用IGBT，但较新的APM可能会使用碳化硅（SiC）MOSFET来实现最高效率。

无论采用哪种开关技术，隔离栅极驱动器都起着至关重要的作用。数字隔离栅极驱动器利用CMOS技术来创建器件本身和隔离栅。图3显示了Si8239x隔离栅极驱动器中单个通道的框图，该驱动器使用射频载波穿过隔离栅传递信息。这种数字隔离技术提供了强大的隔离数据路径，该路径易于和其他CMOS技术（如栅极驱动器）集成。

扩展数字隔离

图2所示的电路由APM控制器管理，该控制器生成PWM信号以控制电源开关的栅极驱动器。为了获得最高效率，控制器需要检测所产生的电压，该过程还需要一个隔离解决方案，例如电隔离模拟放大器。将APM连接到更大的汽车控制系统的系统总线也需要隔离。许多设计使用CAN总线，并且APM包含用于CAN总线信号的数字隔离器。具有5kVrms隔离度的多通道数字隔离器，例如Silicon Labs的Si86xx，已针对该应用进行了优化。就像隔离栅极驱动器一样，CMOS隔离栅允许集成高性能模拟和数字I/O功能。

结论

向电动汽车发展给整车厂（OEM）和一级供应商带来了重大的设计挑战。至少到目前为止，保持12V电源作为辅助电源可通过配套的原有系统简化任务。但是，取消主电源的12V电池电源（由发动机驱动的交流发电机）会增加辅助电源模块的复杂性。CMOS隔离技术带来的集成方面的进步简化了APM的设计，同时可以在车辆的全生命周期中提供安全可靠的操作。

英飞凌科技股份公司（FSE代码：IFX / OTCQX代码：IFNNY）推出新型感测和平衡IC（TLE9012AQU），进一步壮大其面向电池管理系统的产品阵营。该器件专门针对混合动力汽车和电动汽车的电池而设计，但也适用于其他应用。它可以测量最多12个电池单元的电压，并且在使用寿命期间，这款器件能够在整个工作温度范围和电压范围内实现高达± 5.8 mV的测量精度。不仅如此，它还可以支持最多5个外接温度传感器，提供集成式电池单元平衡功能，并使用iso-UART接口进行通信。

电池管理系统（BMS）可确保电池容量得到优化利用，这意味着，电动汽车能够实现更长的续航里程，并且电池不会提前老化。此外，它们能判定电池的充电状态和健康状态，以便估算续航里程，并预测电池的剩余使用寿命。TLE9012AQU可提供必要的测量数据，并通过电池单元平衡来确保平衡的充电状态。由此带来的益处很多，包括避免最薄弱的电池单元限制电池的总可用容量。

为了最大限度地降低干扰信号对测量结果的影响，英飞凌推出的这款新型感测和平衡IC搭载了可编程噪声滤波器。除此之外，它可以同时在所有电池单元中进行测量，因此，哪怕存在临时干扰因素，测量结果依然具有可比性。基于集成式应力传感器和扩展温度补偿的补偿算法，保证了测量的长期稳定性。

电池单元平衡是通过芯片上集成的12个平衡开关（每个通道一个开关）来实现的。它们经过专门设计，可支持的最大电流为150 mA。为了获得更高的平衡电流，该器件也支持外接开关。此外，可以将电池单元平衡设置为达到规定时长（不超过32小时）后，或者当电池单元达到规定电压时，自动停止，而无需微控制器发送信号。这样一来，微控制器就可以切换至睡眠模式，从而实现节能。

TLE9012AQU具备12个通道，特别适用于每个模块划分为12个单元的电池。这种情况下，每个模块配备一颗器件即可。这些模块与微控制器之间通过iso-UART接口进行数据交换，因而可以轻松实现电压隔离，确保数据完整性。这个通信接口支持超过20个串联器件和环形拓扑结构。这样便能确保即使某一个器件发生故障，通信链也不会断开，系统的其余部分仍可正常工作。

供货情况

相对于传统汽车用汽油发动机提供动力，电动汽车则需要靠电机来驱动，它的时速快慢和启动速度取决于驱动电机的功率和性能以及高效的控制方式。纯电动汽车的驱动电机有直流有刷、直流无刷（BLDC）、有永磁、电磁之分，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。驱动电机之调速控制也分有级调速和无极调速，有采用电子调速控制器和机械换挡调速控制器。电动汽车内的电机控制需要更高的安全性、可靠性和稳定性。

瑞萨电子拥有专门的汽车事业部，为汽车研发企业服务。产品包括MCU和大功率MOSFET，并通过了汽车级认证。具有最高的可靠性，从而实现了要求最严苛的汽车应用。其RH850 系列MCU满足了汽车行业中各个部分不断变化的功能需求。其中RH850/C1x系列是针对电动汽车的电机控制设计的系列产品，他继承了上一代SH系列在电机控制方面的优势。采用瑞萨最新的40nm 工艺设计和先进的IP内核。RH850 C1x系列产品将会引领电动汽车电机控制领域实现突破性的解决方案。

该系列产品所具备的两个主要特点如下：

1、 解析器/数字转换器（RDC）

专用IP处理复杂的模拟信号从电机旋转角度传感器（解析器）。引进日本多摩川先进的生产过程，功能如图1所示。

2、 增强的电机控制IP单元（EMU）

使用专用硬件电机控制单元，实现电机控制和信号的反馈不需要CPU的参与，大大减少了CPU处理负载，实现了高速度的旋转。

RH850/C1x系列MCU 最高主频可以达到240MHz，并配置了带有锁步功能的双核系统。内核内置了分析器/数字转换器（RDC）和增强型电机控制单元（EMU），硬件功能安全和诊断功能支持ISO26262。该产品采用RDC的TAMAGAWA的前线技术，使RDC作为重要的IP核内置到RH850 C1X芯片中，可以把电机运转时角度传感器产生的复杂模拟信号转换成为数字信号，从而降低了系统的成本。

RH850/C1x采用了电机控制IP理念，主要是指ADC、RDC、PWM定时器协同工作。通过CPU计算数据，将参数设置到PWM控制输出寄存器，并安装了具有矢量控制的电流回路进行PWM控制。可以输出各种方波以实现对电机的旋转控制，同时可以通过修改参数调整PWM输出。

获取更多产品信息可联系世强。

来源：Renesas（世强翻译）