【導(dǎo)讀】電池容量是一個考慮因素。隨著設(shè)計人員努力通過擴(kuò)大儲能容量和逐步提高效率來優(yōu)化范圍,它的尺寸和電壓都在增加。汽車電子設(shè)備(尤其是線束)的尺寸和重量也是優(yōu)化的目標(biāo)。這些因素對車輛每次充電的續(xù)航里程有重大影響;然而,它們是一把雙刃劍。更大的電池充電時間更長;在越野旅行中在充電站停車 4 小時是不可能的。
解決“里程焦慮”對于專注于電動汽車 (EV) 的工程師來說至關(guān)重要。由內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛的續(xù)航里程和加油體驗決定,消費者的期望很難改變。
電池容量是一個考慮因素。隨著設(shè)計人員努力通過擴(kuò)大儲能容量和逐步提高效率來優(yōu)化范圍,它的尺寸和電壓都在增加。汽車電子設(shè)備(尤其是線束)的尺寸和重量也是優(yōu)化的目標(biāo)。這些因素對車輛每次充電的續(xù)航里程有重大影響;然而,它們是一把雙刃劍。更大的電池充電時間更長;在越野旅行中在充電站停車 4 小時是不可能的。
更高的直流母線電壓需要采用不同的能量轉(zhuǎn)換技術(shù);和車輛模塊必須展現(xiàn)出符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的安全可靠的性能。此外,提高能量密度 (kW/l) 和比功率 (kW/kg) 等某些關(guān)鍵性能指標(biāo) (KPI) 目標(biāo)使 OBC 等系統(tǒng)的設(shè)計更具挑戰(zhàn)性。
圖 1:OBC 是電動汽車能源價值鏈的關(guān)鍵部分。資料:意法半導(dǎo)體
OBC架構(gòu)
車載充電器 (OBC) 是能源“價值鏈”的關(guān)鍵部分(圖 1)。電池的大小決定了 OBC 的額定輸出功率;它的主要作用是將來自電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換為電池管理系統(tǒng) (BMS) 用于為電池組充電的直流電。OBC 必須這樣做,同時遵守嚴(yán)格的排放要求并滿足其 KPI。
圖 2:電源設(shè)計師在 EV 中采用不同的 OBC 架構(gòu)。資料:意法半導(dǎo)體
設(shè)計人員采用不同的架構(gòu)來實現(xiàn)他們的目標(biāo)(圖 2)。他們根據(jù)幾個目標(biāo)在這些方法中進(jìn)行選擇,包括輸入電源的性質(zhì)(相數(shù))、成本/效率目標(biāo),以及設(shè)計是否需要支持車輛到電網(wǎng) (V2G) 能量傳輸,需要雙向架構(gòu). 另一方面,模塊的體積和重量主要由電容器、電感器和變壓器等分立元件決定(圖 3)。這些組件限制了能量密度性能。
圖 3:以上示例顯示了基于 SiC 的 OBC 參考設(shè)計。資料:意法半導(dǎo)體
800V 或更高電壓的電動汽車出現(xiàn)更高的電壓,推動了寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體技術(shù)在能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的使用;特別是那些連接到 DC-link 總線的,包括 OBC、BMS 和牽引逆變器。對于 OBC,碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 正在成為支持更高電壓和額定功率的技術(shù)。
SiC 是理想選擇,因為它支持在非常高的電壓和溫度下高效運行。它還降低了成本和尺寸,因為它需要體積更小且更便宜的冷卻設(shè)備。SiC 和 GaN 支持比硅更高的開關(guān)頻率,并且當(dāng)與更快的控制回路結(jié)合使用時,WBG 器件可以顯著縮小圖 3 中所示的分立元件的空間要求。接下來,具有增強(qiáng)數(shù)字控制功能的微控制器架構(gòu)支持更快的開關(guān)和控制回路,從而提供有助于實現(xiàn)能量密度和成本等設(shè)計目標(biāo)的集成度。
傳統(tǒng)MCU的缺點
當(dāng)然,EV 系統(tǒng)提出了獨特的挑戰(zhàn),必須通過量身定制的解決方案來解決。這在微控制器的選擇上很明顯。傳統(tǒng)的汽車 MCU,例如專為 ICE 車輛動力總成設(shè)計的 MCU,并不是為支持電氣化設(shè)計要求所需的基本數(shù)字、模擬和系統(tǒng)級功能而設(shè)計的。例如,大多數(shù)傳統(tǒng)汽車 MCU 無法支持高開關(guān)頻率以享受 WBG 技術(shù)的優(yōu)勢。
圖 4:傳統(tǒng)的 MCU 并非設(shè)計用于支持 WBG 晶體管的更高開關(guān)頻率。資料:意法半導(dǎo)體
許多這些傳統(tǒng)汽車 MCU 支持低于 150 kHz 的 PWM 開關(guān)頻率,并且缺乏 PWM 分辨率,無法利用 OBC 中用于功率因數(shù)校正 (PFC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級的關(guān)鍵 WBG 技術(shù)。例如,某些 200 MHz MCU 為定時器/PWM 提供低至 80 MHz 的輸入時鐘。在這種情況下,如果所需的 PWM 頻率為 150 kHz,則 MCU 將僅支持 9 位 PWM 分辨率。
對于 OBC,此功能不適合基于硅 MOSFET 的實現(xiàn),更不用說 WBG 設(shè)備了。雖然圖 4 強(qiáng)調(diào)了開關(guān)頻率的重要性,但 PWM 分辨率也是一個重要方面,因為它在很大程度上決定了根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量的輸入?yún)?shù)激活/停用開關(guān)的時序。
為了充分發(fā)揮 SiC/GaN 器件的潛力,設(shè)計必須優(yōu)化控制回路。這需要具有高分辨率的更快 PWM、的死區(qū)時間控制、更快的 ADC 和更快的計算以減少控制環(huán)路時序。此外,ADC 樣本應(yīng)與 PWM 輸出控制同步。因此,MCU 的功能對 OBC 重量、尺寸和成本有重大影響。圖 5 顯示了使用傳統(tǒng) MCU 的 OBC 的框圖。該系統(tǒng)采用外部 DSP 進(jìn)行控制環(huán)路,采用外部比較器進(jìn)行保護(hù)。
圖 5:框圖顯示了使用傳統(tǒng) MCU 的典型 OBC 系統(tǒng)。資料:意法半導(dǎo)體
在典型的 PFC 或 DC-DC 控制回路中,MCU 測量電壓和電流。接下來,MCU 和 DSP 對這些測量值運行算法,然后控制 PWM 的占空比??刂苹芈窌r序取決于:
電壓/電流采樣率
計算吞吐量
反應(yīng)時間
控制/監(jiān)控 OBC 中的電壓/電流需要高 ADC 采樣率和良好的 CPU 吞吐量 (DMIPS),并通過數(shù)學(xué)加速器進(jìn)行增強(qiáng)。這些決定了算法的執(zhí)行時間。PWM 通道的數(shù)量和相關(guān)的分辨率決定了輸出控制的速度和精度以及器件中可能的轉(zhuǎn)換器級集成度。例如,并聯(lián)輸出級用于增加輸出功率;并且這種配置需要同時對兩個階段的電流和電壓進(jìn)行采樣。這需要四個 ADC 實例;因此,不僅通道數(shù)量很重要,實例數(shù)量也很重要。
硅 MOSFET 需要更長的死區(qū)時間以限度地減少開關(guān)損耗,而 SiC/GaN 允許更短的死區(qū)時間。較短的死區(qū)時間增加了可以在一個周期內(nèi)從輸入傳輸?shù)捷敵龅墓β?。大多?shù)傳統(tǒng) MCU 無法支持這些小死區(qū)時間。
OBC 必須包括針對過電流、過電壓和過熱條件的保護(hù)。通常,模擬比較器用于檢測這些故障并盡快控制輸出以避免損壞。這些比較器需要非??斓捻憫?yīng)時間。并非專為這些應(yīng)用而構(gòu)建的 MCU 可能沒有比較器,或者它們的響應(yīng)時間太長,使它們不適合在 OBC 中實施保護(hù)。即使使用外部比較器來實現(xiàn)保護(hù)機(jī)制,它們也需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來生成參考,而大多數(shù) MCU 通常沒有任何或足夠的外部 DAC。此外,使用外部比較器會增加解決方案的封裝尺寸和成本。
超越控制循環(huán)機(jī)制
除了控制回路和保護(hù)機(jī)制之外,還應(yīng)仔細(xì)檢查其他方面。
無線 (OTA) 固件升級支持
功能安全(ISO 26262)
安全
汽車設(shè)計周期正在加速,原始設(shè)備制造商必須不斷提供新功能以跟上競爭步伐;因此,車輛正在成為“軟件定義”。這可以實現(xiàn)固件功能的貨幣化。這些方面都需要支持售后固件升級;因此,MCU 必須支持 OTA 更新。
汽車設(shè)計也需要功能安全。盡管每個 OBC 的設(shè)計要求可能不同,但在大多數(shù)情況下,系統(tǒng)必須支持 ASIL-B 到 ASIL-D。并非所有 MCU 都支持鎖步內(nèi)核,而其他 MCU 則禁止使用獨立執(zhí)行。設(shè)計人員選擇鎖步或獨立執(zhí)行內(nèi)核的能力為支持各種安全完整性級別提供了更大的靈活性。這允許針對成本和可擴(kuò)展性優(yōu)化設(shè)計。
而且,對于聯(lián)網(wǎng)汽車,網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險更大。因此,OBC 可能需要 Evita Lite 或 Evita Medium 安全性來應(yīng)對此類威脅。這種安全性對于連接到電網(wǎng)的車輛尤為重要。
為了促進(jìn)電氣化,一些 MCU 供應(yīng)商提供了滿足這些新要求的設(shè)備。Stellar E1 (SR5E1)就是一個例子,它將標(biāo)準(zhǔn) MCU 和 DSP 功能集成到單個設(shè)備中,為 OBC 提供單芯片解決方案。圖 6 顯示了一個非常的 OBC 實現(xiàn)框圖。
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