專(zhuān)用單片機(jī)如何滿(mǎn)足車(chē)載充電器設(shè)計(jì)需求

解決"距離焦慮"對(duì)于專(zhuān)注于電動(dòng)汽車(chē)的工程師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)(ICE)車(chē)輛的范圍和燃料經(jīng)驗(yàn),消費(fèi)者的期望很難改變。

電池容量是一個(gè)考慮因素。隨著設(shè)計(jì)師努力通過(guò)擴(kuò)大儲(chǔ)能容量和逐步提高效率來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品范圍，它的尺寸和電壓都在增加。車(chē)輛電子產(chǎn)品的尺寸和重量，特別是線(xiàn)束，也是一個(gè)優(yōu)化的目標(biāo)。這些因素對(duì)每次充電的車(chē)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(zhǎng)的時(shí)間充電;在越野旅行中，在充電站停車(chē)4個(gè)小時(shí)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(chē)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(biāo)的目標(biāo),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(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

OBC架構(gòu)

車(chē)載充電器(OBC)是能源"價(jià)值鏈"的一個(gè)關(guān)鍵部分。電池的大小決定了OBC的輸出功率等級(jí);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(lái)給電池組充電的直流電流。OBC必須這樣做,同時(shí)遵守嚴(yán)格的排放要求和滿(mǎn)足其主要生產(chǎn)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)師使用不同的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)，他們根據(jù)若干目標(biāo)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(biāo),以及設(shè)計(jì)是否需要支持車(chē)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(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)較高電壓,推動(dòng)了在能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù),特別是那些連接到DC-LINK總線(xiàn)的技術(shù),包括OBC、BM和逆變器。對(duì)于OBC來(lái)說(shuō),碳化硅(IC)或氮化鋇(GAN)正成為支持更高電壓和功率等級(jí)的首選技術(shù)。

SIC是理想的,因?yàn)樗С衷诜浅８叩碾妷汉蜏囟认掠行У牟僮?。它還降低了成本和尺寸,因?yàn)樗枰粋€(gè)更小更便宜的冷卻設(shè)備。當(dāng)與更快的控制環(huán)相結(jié)合時(shí),WBT設(shè)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(qiáng)的數(shù)字控制能力的先進(jìn)微控制器架構(gòu)能夠支持更快的開(kāi)關(guān)和控制循環(huán),從而提供有助于實(shí)現(xiàn)能源密度和成本等設(shè)計(jì)目標(biāo)的集成水平。

傳統(tǒng)單片機(jī)的缺點(diǎn)

當(dāng)然,電動(dòng)車(chē)輛系統(tǒng)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn),必須通過(guò)有針對(duì)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(chē)單片機(jī),比如那些為冰車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī),并不是為支持電氣化設(shè)計(jì)要求所需的基本的數(shù)字化、模擬化和系統(tǒng)級(jí)能力而設(shè)計(jì)的。例如,大多數(shù)傳統(tǒng)的汽車(chē)單片機(jī)不能支持高開(kāi)關(guān)頻率,以獲得wbg技術(shù)的好處。

許多傳統(tǒng)的汽車(chē)單片機(jī)支持不到150千赫的壓波M開(kāi)關(guān)頻率,而缺乏壓波M分辨率來(lái)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(jī)提供了一個(gè)低至80兆赫的輸入時(shí)鐘。在這種情況下,如果所需的壓波M頻率是150千赫,單片機(jī)將只支持9位壓波M分辨率。

對(duì)于OBC來(lái)說(shuō),這種能力不適合基于硅混合物的實(shí)現(xiàn),更不用說(shuō)WBT設(shè)備了。圖4強(qiáng)調(diào)了開(kāi)關(guān)頻率的重要性,而壓波M分辨率也是一個(gè)重要方面,因?yàn)樗饕鶕?jù)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADCS)測(cè)量的輸入?yún)?shù)決定開(kāi)關(guān)啟動(dòng)/停止運(yùn)行的時(shí)間。

為了充分發(fā)揮SIC/GAN器件的潛力,設(shè)計(jì)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(shí)控制,更快的ADCS,以及更快的計(jì)算來(lái)減少控制循環(huán)的時(shí)間。此外,ADC樣品應(yīng)與壓波器輸出控制同步.因此,單片機(jī)的功能對(duì)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(jī)測(cè)量電壓和電流。接下來(lái),單片機(jī)和DSP在這些測(cè)量值上運(yùn)行一個(gè)算法,然后控制PWMS的任務(wù)周期。控制環(huán)定時(shí)取決于:

· 電壓/電流采樣率

· 計(jì)算吞吐量

· 反應(yīng)時(shí)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(xué)加速器。這些決定了算法的執(zhí)行時(shí)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(jí)的集成水平在設(shè)備中可能。例如,并行輸出級(jí)被用來(lái)增加輸出功率;這種配置要求同時(shí)對(duì)兩個(gè)階段的電流和電壓進(jìn)行采樣。這需要四個(gè)ADC實(shí)例;因此,不僅通道的數(shù)量重要,而且實(shí)例的數(shù)量也很多。

硅MOSFT需要更長(zhǎng)的死機(jī)時(shí)間,以減少開(kāi)關(guān)損失,而SIC/GAN允許更短的死機(jī)時(shí)間。短的死機(jī)時(shí)間可以增加在一個(gè)循環(huán)中從輸入到輸出的功率。大多數(shù)傳統(tǒng)的單片機(jī)不能支持這些小的死亡時(shí)代。

OCS必須包括防止過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)溫度的保護(hù)。模擬比較器通常用于檢測(cè)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?yīng)時(shí)間。為這些應(yīng)用而非專(zhuān)用的單片機(jī)可能沒(méi)有比較器,或者它們的響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng),使它們不適合在OBC中實(shí)現(xiàn)保護(hù)。即使使用外部比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)機(jī)制,它們也需要數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DACS)來(lái)生成引用,大多數(shù)單片機(jī)通常沒(méi)有任何或足夠的外部DACS。此外,使用外部比較器會(huì)增加解決方案足跡的規(guī)模和成本。

超越控制循環(huán)機(jī)制

除了控制和保護(hù)機(jī)制之外,還應(yīng)仔細(xì)審查其他方面。

· 無(wú)線(xiàn)電固件更新支援

· 功能安全(ISO26262)

· 安全措施

汽車(chē)設(shè)計(jì)周期正在加快,OEM必須不斷提供新的功能,以跟上競(jìng)爭(zhēng)的步伐;因此,車(chē)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(jí)后的銷(xiāo)售,所以,單片機(jī)必須支持OTA更新。

汽車(chē)設(shè)計(jì)也要求功能安全.雖然每個(gè)OBC的設(shè)計(jì)要求可能有所不同,但在大多數(shù)情況下,系統(tǒng)必須通過(guò)AISL-D支持AISR-B。并非所有的單片機(jī)都支持單級(jí)核心,而其他的則禁止使用獨(dú)立執(zhí)行。設(shè)計(jì)者能夠選擇獨(dú)立執(zhí)行或獨(dú)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(shè)計(jì)可以根據(jù)成本和可伸縮性進(jìn)行優(yōu)化。

而且,對(duì)于有連接的汽車(chē),網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)更大。因此,OBC可能需要埃維塔或埃維塔的中型安全性來(lái)應(yīng)對(duì)這些威脅。這種安全性對(duì)于連接到電網(wǎng)的車(chē)輛尤為重要。

為了促進(jìn)電氣化,一些單片機(jī)供應(yīng)商提供滿(mǎn)足這些新要求的設(shè)備。一個(gè)例子是?Stellar E1 (SR5E1) 將標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)和DSP功能集成到一個(gè)設(shè)備中,為OBC提供單片機(jī)解決方案。

星形E1是一個(gè)AEC-Q100的合格單片機(jī),包括2x臂皮層M7核心,因此一個(gè)核心可以用于一個(gè)PFC環(huán)路,一個(gè)用于在雙向OBC實(shí)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(gè)CORDIC數(shù)學(xué)加速器。該單片機(jī)包含12個(gè)高分辨率的計(jì)時(shí)器,具有104-PS分辨率,支持大于1MHZ的壓水管開(kāi)關(guān)頻率與精確的死時(shí)控制。結(jié)合快速計(jì)算能力,高分辨率定時(shí)器取代了外部DSP。

這些設(shè)備還包括芯片上的快速比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。此外,他們還提供2.5MSP12位合成孔徑雷達(dá)應(yīng)用程序包,提供多達(dá)5MSP的雙模式,可以提高控制環(huán)性能。該設(shè)備中的兩個(gè)單片機(jī)核心可以獨(dú)立運(yùn)行(對(duì)于一個(gè)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(yùn)行。

星星E1微控制器實(shí)現(xiàn)A/B交換OTA固件升級(jí),促進(jìn)領(lǐng)域升級(jí)。此外,一個(gè)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(luò)安全。

有目的的微型計(jì)算機(jī)

較高的開(kāi)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(jī)不需要外部DSP/DSC,包括能夠高速切換和診斷的外圍設(shè)備。OBC要求快速的控制循環(huán),涉及復(fù)雜的計(jì)算和通過(guò)各種傳感器緊密耦合的反饋;因此,數(shù)學(xué)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(duì)固件升級(jí)、安全和安保的支持。在這里,專(zhuān)門(mén)為電子移動(dòng)而設(shè)計(jì)的單片機(jī),如星形E1,可以解決OBC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。