【導(dǎo)讀】電池容量是一個(gè)考慮因素。隨著設(shè)計(jì)人員努力通過(guò)擴(kuò)大儲(chǔ)能容量和逐步提高效率來(lái)優(yōu)化范圍，它的尺寸和電壓都在增加。汽車(chē)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(duì)車(chē)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(shí)間更長(zhǎng)；在越野旅行中在充電站停車(chē) 4 小時(shí)是不可能的。
解決“里程焦慮”對(duì)于專注于電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的工程師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。由內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車(chē)輛的續(xù)航里程和加油體驗(yàn)決定，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)人員努力通過(guò)擴(kuò)大儲(chǔ)能容量和逐步提高效率來(lái)優(yōu)化范圍，它的尺寸和電壓都在增加。汽車(chē)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(duì)車(chē)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(shí)間更長(zhǎng)；在越野旅行中在充電站停車(chē) 4 小時(shí)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(chē)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(jì)更具挑戰(zhàn)性。
圖 1：OBC 是電動(dòng)汽車(chē)能源價(jià)值鏈的關(guān)鍵部分。資料：意法半導(dǎo)體
OBC架構(gòu)
車(chē)載充電器 (OBC) 是能源“價(jià)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(lái)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(shí)遵守嚴(yán)格的排放要求并滿足其 KPI。
圖 2：電源設(shè)計(jì)師在 EV 中采用不同的 OBC 架構(gòu)。資料：意法半導(dǎo)體
設(shè)計(jì)人員采用不同的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)（圖 2）。他們根據(jù)幾個(gè)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(jì)是否需要支持車(chē)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(jì)。資料：意法半導(dǎo)體
800V 或更高電壓的電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)更高的電壓，推動(dòng)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(duì)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?yàn)樗С衷诜浅８叩碾妷汉蜏囟认赂咝н\(yùn)行。它還降低了成本和尺寸，因?yàn)樗枰w積更小且更便宜的冷卻設(shè)備。SiC 和 GaN 支持比硅更高的開(kāi)關(guān)頻率，并且當(dāng)與更快的控制回路結(jié)合使用時(shí)，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(lái)，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(kāi)關(guān)和控制回路，從而提供有助于實(shí)現(xiàn)能量密度和成本等設(shè)計(jì)目標(biāo)的集成度。
傳統(tǒng)MCU的缺點(diǎn)
當(dāng)然，EV 系統(tǒng)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，必須通過(guò)量身定制的解決方案來(lái)解決。這在微控制器的選擇上很明顯。傳統(tǒng)的汽車(chē) MCU，例如專為 ICE 車(chē)輛動(dòng)力總成設(shè)計(jì)的 MCU，并不是為支持電氣化設(shè)計(jì)要求所需的基本數(shù)字、模擬和系統(tǒng)級(jí)功能而設(shè)計(jì)的。例如，大多數(shù)傳統(tǒng)汽車(chē) MCU 無(wú)法支持高開(kāi)關(guān)頻率以享受 WBG 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
圖 4：傳統(tǒng)的 MCU 并非設(shè)計(jì)用于支持 WBG 晶體管的更高開(kāi)關(guān)頻率。資料：意法半導(dǎo)體
許多這些傳統(tǒng)汽車(chē) MCU 支持低于 150 kHz 的 PWM 開(kāi)關(guān)頻率，并且缺乏 PWM 分辨率，無(wú)法利用 OBC 中用于功率因數(shù)校正 (PFC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)的關(guān)鍵 WBG 技術(shù)。例如，某些 200 MHz MCU 為定時(shí)器/PWM 提供低至 80 MHz 的輸入時(shí)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(duì)于 OBC，此功能不適合基于硅 MOSFET 的實(shí)現(xiàn)，更不用說(shuō) WBG 設(shè)備了。雖然圖 4 強(qiáng)調(diào)了開(kāi)關(guān)頻率的重要性，但 PWM 分辨率也是一個(gè)重要方面，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬蠜Q定了根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測(cè)量的輸入?yún)?shù)激活/停用開(kāi)關(guān)的時(shí)序。
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。這需要具有高分辨率的更快 PWM、的死區(qū)時(shí)間控制、更快的 ADC 和更快的計(jì)算以減少控制環(huán)路時(shí)序。此外，ADC 樣本應(yīng)與 PWM 輸出控制同步。因此，MCU 的功能對(duì) 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(cè)量電壓和電流。接下來(lái)，MCU 和 DSP 對(duì)這些測(cè)量值運(yùn)行算法，然后控制 PWM 的占空比?？刂苹芈窌r(shí)序取決于：
電壓/電流采樣率
計(jì)算吞吐量
反應(yīng)時(shí)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(guò)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(shí)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(jí)集成度。例如，并聯(lián)輸出級(jí)用于增加輸出功率；并且這種配置需要同時(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，不僅通道數(shù)量很重要，實(shí)例數(shù)量也很重要。
硅 MOSFET 需要更長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間以限度地減少開(kāi)關(guān)損耗，而 SiC/GaN 允許更短的死區(qū)時(shí)間。較短的死區(qū)時(shí)間增加了可以在一個(gè)周期內(nèi)從輸入傳輸?shù)捷敵龅墓β?。大多?shù)傳統(tǒng) MCU 無(wú)法支持這些小死區(qū)時(shí)間。
OBC 必須包括針對(duì)過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)熱條件的保護(hù)。通常，模擬比較器用于檢測(cè)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(shí)間。并非專為這些應(yīng)用而構(gòu)建的 MCU 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)施保護(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)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來(lái)生成參考，而大多數(shù) MCU 通常沒(méi)有任何或足夠的外部 DAC。此外，使用外部比較器會(huì)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(wú)線 (OTA) 固件升級(jí)支持
功能安全（ISO 26262）
安全
汽車(chē)設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)步伐；因此，車(chē)輛正在成為“軟件定義”。這可以實(shí)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(jí)；因此，MCU 必須支持 OTA 更新。
汽車(chē)設(shè)計(jì)也需要功能安全。盡管每個(gè) OBC 的設(shè)計(jì)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(dú)立執(zhí)行。設(shè)計(jì)人員選擇鎖步或獨(dú)立執(zhí)行內(nèi)核的能力為支持各種安全完整性級(jí)別提供了更大的靈活性。這允許針對(duì)成本和可擴(kuò)展性優(yōu)化設(shè)計(jì)。
而且，對(duì)于聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)，網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，OBC 可能需要 Evita Lite 或 Evita Medium 安全性來(lái)應(yīng)對(duì)此類威脅。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 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(gè)例子，它將標(biāo)準(zhǔn) MCU 和 DSP 功能集成到單個(gè)設(shè)備中，為 OBC 提供單芯片解決方案。圖 6 顯示了一個(gè)非常的 OBC 實(shí)現(xiàn)框圖。
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