解決"距離焦慮"對于專注于電動汽車的工程師來說至關(guān)重要。根據(jù)內(nèi)燃機(ICE)車輛的范圍和燃料經(jīng)驗,消費者的期望很難改變。
電池容量是一個考慮因素。隨著設計師努力通過擴大儲能容量和逐步提高效率來優(yōu)化產(chǎn)品范圍，它的尺寸和電壓都在增加。車輛電子產(chǎn)品的尺寸和重量，特別是線束，也是一個優(yōu)化的目標。這些因素對每次充電的車輛行駛里程有重大影響;然而，它們是一把雙刃劍。更大的電池需要更長的時間充電;在越野旅行中，在充電站停車4個小時是不可能的。
較高的直流連接電壓要求使用不同的能源轉(zhuǎn)換技術(shù);而車輛模塊必須顯示出安全可靠的尖端性能,如ISO26262。此外,某些關(guān)鍵性能指標的目標,如提高能量密度(kw/l)和比功率(kw/千克),使得像OBC這樣的系統(tǒng)的設計更具挑戰(zhàn)性。
OBC架構(gòu)
車載充電器(OBC)是能源"價值鏈"的一個關(guān)鍵部分。電池的大小決定了OBC的輸出功率等級;它的主要作用是把電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換成電池管理系統(tǒng)用來給電池組充電的直流電流。OBC必須這樣做,同時遵守嚴格的排放要求和滿足其主要生產(chǎn)指標。
設計師使用不同的架構(gòu)來實現(xiàn)他們的目標，他們根據(jù)若干目標在各種方法中作出選擇,其中包括傳入電源的性質(zhì)(階段數(shù))、成本/效率指標,以及設計是否需要支持車輛到電網(wǎng)(V2G)的能量轉(zhuǎn)移,這需要雙向結(jié)構(gòu)。另一方面,模塊的體積和重量主要由電容器、電感器和變壓器等離散組件決定。這些部件限制了能量密度性能。
800V或更高的電動汽車出現(xiàn)較高電壓,推動了在能量轉(zhuǎn)換應用中使用寬帶隙半導體技術(shù),特別是那些連接到DC-LINK總線的技術(shù),包括OBC、BM和逆變器。對于OBC來說,碳化硅(IC)或氮化鋇(GAN)正成為支持更高電壓和功率等級的首選技術(shù)。
SIC是理想的,因為它支持在非常高的電壓和溫度下有效的操作。它還降低了成本和尺寸,因為它需要一個更小更便宜的冷卻設備。當與更快的控制環(huán)相結(jié)合時,WBT設備可以顯著地縮小圖3中所顯示的離散組件的空間需求。其次,具有增強的數(shù)字控制能力的先進微控制器架構(gòu)能夠支持更快的開關(guān)和控制循環(huán),從而提供有助于實現(xiàn)能源密度和成本等設計目標的集成水平。
傳統(tǒng)單片機的缺點
當然,電動車輛系統(tǒng)提出了獨特的挑戰(zhàn),必須通過有針對性的解決辦法加以解決。這在微控制器的選擇中是明確的。傳統(tǒng)的汽車單片機,比如那些為冰車動力系統(tǒng)設計的單片機,并不是為支持電氣化設計要求所需的基本的數(shù)字化、模擬化和系統(tǒng)級能力而設計的。例如,大多數(shù)傳統(tǒng)的汽車單片機不能支持高開關(guān)頻率,以獲得wbg技術(shù)的好處。
許多傳統(tǒng)的汽車單片機支持不到150千赫的壓波M開關(guān)頻率,而缺乏壓波M分辨率來利用在功率因數(shù)校正(PFC)和直流-直流轉(zhuǎn)換器階段至關(guān)重要的wbc技術(shù)。例如,一些200兆赫的單片機提供了一個低至80兆赫的輸入時鐘。在這種情況下,如果所需的壓波M頻率是150千赫,單片機將只支持9位壓波M分辨率。
對于OBC來說,這種能力不適合基于硅混合物的實現(xiàn),更不用說WBT設備了。圖4強調(diào)了開關(guān)頻率的重要性,而壓波M分辨率也是一個重要方面,因為它主要根據(jù)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADCS)測量的輸入?yún)?shù)決定開關(guān)啟動/停止運行的時間。
為了充分發(fā)揮SIC/GAN器件的潛力,設計必須優(yōu)化控制回路。這就需要有更高的分辨率,精確的死時控制,更快的ADCS,以及更快的計算來減少控制循環(huán)的時間。此外,ADC樣品應與壓波器輸出控制同步.因此,單片機的功能對OBC的重量、足跡和成本有很大的影響。
在典型的PFC或DC-DC控制回路中,單片機測量電壓和電流。接下來,單片機和DSP在這些測量值上運行一個算法,然后控制PWMS的任務周期?？刂骗h(huán)定時取決于:
· 電壓/電流采樣率
· 計算吞吐量
· 反應時間
在OBC中控制/監(jiān)控電壓/電流需要高的ADC采樣速率,再加上良好的CPU吞吐量(DMIPS)和數(shù)學加速器。這些決定了算法的執(zhí)行時間.道數(shù)和相關(guān)的分辨率決定了輸出控制的速度和精度,以及轉(zhuǎn)換器級的集成水平在設備中可能。例如,并行輸出級被用來增加輸出功率;這種配置要求同時對兩個階段的電流和電壓進行采樣。這需要四個ADC實例;因此,不僅通道的數(shù)量重要,而且實例的數(shù)量也很多。
硅MOSFT需要更長的死機時間,以減少開關(guān)損失,而SIC/GAN允許更短的死機時間。短的死機時間可以增加在一個循環(huán)中從輸入到輸出的功率。大多數(shù)傳統(tǒng)的單片機不能支持這些小的死亡時代。
OCS必須包括防止過電流、過電壓和過溫度的保護。模擬比較器通常用于檢測這些故障,并盡可能快地控制輸出,以避免損壞。這些比較器需要非?？焖俚捻憫獣r間。為這些應用而非專用的單片機可能沒有比較器,或者它們的響應時間太長,使它們不適合在OBC中實現(xiàn)保護。即使使用外部比較器來實現(xiàn)保護機制,它們也需要數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DACS)來生成引用,大多數(shù)單片機通常沒有任何或足夠的外部DACS。此外,使用外部比較器會增加解決方案足跡的規(guī)模和成本。
超越控制循環(huán)機制
除了控制和保護機制之外,還應仔細審查其他方面。
· 無線電固件更新支援
· 功能安全(ISO26262)
· 安全措施
汽車設計周期正在加快,OEM必須不斷提供新的功能,以跟上競爭的步伐;因此,車輛正在成為"軟件定義"。這使公司啟用的功能能夠貨幣化。這些方面需要支持固件升級后的銷售,所以,單片機必須支持OTA更新。
汽車設計也要求功能安全.雖然每個OBC的設計要求可能有所不同,但在大多數(shù)情況下,系統(tǒng)必須通過AISL-D支持AISR-B。并非所有的單片機都支持單級核心,而其他的則禁止使用獨立執(zhí)行。設計者能夠選擇獨立執(zhí)行或獨立執(zhí)行的核心提供更大的靈活性,以支持各種安全完整性水平。這使得設計可以根據(jù)成本和可伸縮性進行優(yōu)化。
而且,對于有連接的汽車,網(wǎng)絡攻擊的風險更大。因此,OBC可能需要埃維塔或埃維塔的中型安全性來應對這些威脅。這種安全性對于連接到電網(wǎng)的車輛尤為重要。
為了促進電氣化,一些單片機供應商提供滿足這些新要求的設備。一個例子是?Stellar E1 (SR5E1) 將標準單片機和DSP功能集成到一個設備中,為OBC提供單片機解決方案。
星形E1是一個AEC-Q100的合格單片機,包括2x臂皮層M7核心,因此一個核心可以用于一個PFC環(huán)路,一個用于在雙向OBC實現(xiàn)的DC-DC階段。為了支持快速的控制循環(huán),星星E1含有一個CORDIC數(shù)學加速器。該單片機包含12個高分辨率的計時器,具有104-PS分辨率,支持大于1MHZ的壓水管開關(guān)頻率與精確的死時控制。結(jié)合快速計算能力,高分辨率定時器取代了外部DSP。
這些設備還包括芯片上的快速比較器來實現(xiàn)保護。此外,他們還提供2.5MSP12位合成孔徑雷達應用程序包,提供多達5MSP的雙模式,可以提高控制環(huán)性能。該設備中的兩個單片機核心可以獨立運行(對于一個空間-B系統(tǒng)),或者在需要更高安全性的情況下可以同步運行。
星星E1微控制器實現(xiàn)A/B交換OTA固件升級,促進領域升級。此外,一個硬件安全模塊(HSM)子系統(tǒng)提供的安全性最高到埃維塔媒介管理網(wǎng)絡安全。
有目的的微型計算機
較高的開關(guān)頻率可以提高OBC中的功率密度,減少重量、空間和成本。為OBCS定制的單片機不需要外部DSP/DSC,包括能夠高速切換和診斷的外圍設備。OBC要求快速的控制循環(huán),涉及復雜的計算和通過各種傳感器緊密耦合的反饋;因此,數(shù)學加速器和快速的ADCS是必不可少的。
通常需要的其他功能包括高速比較器以及對固件升級、安全和安保的支持。在這里,專門為電子移動而設計的單片機,如星形E1,可以解決OBC系統(tǒng)設計的關(guān)鍵問題。
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