MCU改善DC/DC变压器输出在混动/电动汽车上的应用

2015-06-10 16:25:15来源: EEworld
人们对气候变化和汽油价格的担忧,使得混合动力汽车和纯电动汽车等环保汽车市场日益升温。这些汽车往往通过一台由高压锂电池驱动的电动机获取动力。为了实现最高效率,我们通常需要使用一个DC/DC变压器将这台动力强劲的直流电动机的驱动电压提升至数百伏。与此同时,混合动力汽车和纯电动汽车通常使用与燃油汽车相同的电子控制单元来实现车身控制、仪表盘信息显示等功能。这意味着这些电子设计需要使用12V电源。因此,还需要使用一个DC/DC转换器变压器将锂离子电池的数百伏输出电压降至标准的12V直流电压。


图1:在一台环保汽车中,一个转换器将锂离子电池的输出电压提升至数百伏直流电压(橙色),用以驱动电动机;同时将输出电压降至12V直流电压DC,用以驱动ECU(浅蓝色)。CAN总线网络用深蓝色表示。

Automotive network 车载网络
Battery 电池
High voltage 高电压
Lithium-ion 锂电子电池
DC/DC converter DC/DC转换器
Inverter 转换器逆变器
Low voltage 低电压
Lead battery 铅蓄电池
Electrical motor/generator 电机/发电机
12V network
(Light, audio,etc.)
12V网络
(灯、音频等)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


由于ECU负责执行各种关键性任务,因此,DC/DC变压器对于确保车辆的安全运行至关重要。此外,该转换器还必需高效,而且即使在电池电压发生波动时,也必须为ECU提供稳定的电源。其电路设计必须足够精准、高效和紧凑,以适合空间受限有限的汽车系统。最重要的是,它必须可靠,因为ECU的任何一个故障都可能导致车辆失控、损坏甚至人员伤亡。

然而,卓越的DC/DC变压器离不开卓越的控制器。Spansion半导体的新技术利用MCU的数字处理能力成功缩减了组件的数量,它能够利用软件平台轻松灵活地满足系统要求,而且还能通过车载网络向驾驶员显示故障信息,从而简化了车辆的维护工作。

数字化的优势

为了更好地了解MCU如何影响数字DC/DC变压器的运行和功能,让我们以Spansion MB91550为例。这款MCU能够同时实现两个控制环,一个用于控制输出电压,另一个用于控制电流(见图2)。这个以200MHz时钟频率运行的MCU能够生成一个精准的PWM波形,而这是保持精准控制的关键所在。通过PWM转化输出的周期进行相位调整能够对其进行功率因数校正(PFC)。另外,此款MCU还符合ISO26262定义的功能安全要求。
 

 
图 2: 在斜率补偿单元和比较器的协助下, MB91550 单片机可以控制数字直流/直流转换器变压器,从而搭建一个高效的系统。

Current feedback control block diagram 电流反馈控制框图 Current feedback 电流反馈
Vout 输出电压 Inductor current 电感电流
Switching control 切换控制 Slope compensation circuit 斜坡补偿电路
Comparator 比较器 comparator 比较器
Error amplifier 误差放大器 10 bit D/A converter 10位D/A转换器
Vref 参考电压 Fault control/dead time control/soft overwrite control 故障控制/停滞时间控制/软覆盖控制
Voltage feedback control block diagram 电压反馈控制框图 Switching power control 切换功率控制
Vout 输出电压 DC/DC converter DC/DC变压器
Driver 驱动器 Output voltage 输出电压
PWM comparator PWM比较器 12 bit  A/D  converter 12位 A/D 转换器
Error amplifier 误差放大器 Flash memory/RAM 闪存/RAM
Saw-tooth waveform 锯齿波 Voltage feedback 电压反馈
Vref 参考电压 Inductor current/ Output voltage 电感电流/输出电压
Embedded comparator 嵌入式比较器    

让我们仔细研究一下整个过程。一个12位A/D转换器对电压进行数字化处理,然后,一个配有FPU的32位CPU设定一个比较器参考值和一个斜率补偿值,目的是将电压降至目标电压(见图3)。这个斜率补偿值通过一个10位D/A转换器被发送到电流反馈环的斜率补偿单元。经过CPU处理后,电流进入一个比较器,后者检查其与预先设定的参考值的偏离。转换器根据匹配结果调整当前转换周期的PWM输出的工作周期。如果电流大于上述参考值,则表示发生了过流情况,MCU将切换至“off”状态,同时修正被控制的PWM输出。
 
 
 
图3: 比较器比较电感电流和参考值,以便确定如何修改PWM输出参数,以提供稳定的电压。

 
Output voltage 输出电压
Output voltage monitor by 12 bit A/D converter 12位 A/D 转换器监测输出电压
PID control according to target OUTPUT voltage (CPU) 根据目标输出电压控制PID(CPU)
Slope compensation value set(10 bit D/AC) 斜坡补偿值集(10位D/AC)
Reference of comparator set (10 bit D/AC) 比较器参考值(10位D/AC)
Phase shift of PWM output PWM输出的相移
Inductor current 电感电流
Add slope compensation(slope compensation unit) 增加斜坡补偿(斜坡补偿单元)
Inductance current monitor Comparator0 监测电感电流(比较器0)
Bigger than over target current value? 大于过流目标值?
PWM output revise PWM修正输出
Revise setting duty for PWM output 修正PWM输出的工作周期
Over current monitor comparator1 监视过流(比较器1)
Bigger than over current value? 大于过流值?
PWM output off PWM输出关闭
Yes
No
斜率补偿电路和专用比较器让MCU能够控制DC/DC变压器的PWM工作周期,而且无需等待下一个工作周期。这是MCU的一大优势:转换器能够响应实际电动机负载的快速波动,并检测目标系统的电流和电压。PWM输出电路支持一个发电机空载计时器和用于波形控制的相移功能(见图4)。
 
 
图4: 此图为一个相移——全桥DC/DC转换器电路

 
Input voltage(high-voltage) 输入电压(高电压)
High-voltage battery 高电压电池
Inductor current 电感电流
Isolated gate driver 隔离网关驱动器
Current sense 电流检测
Network driver 网络驱动器
Output voltage(low-voltage) 输出电压(低电压)
Low-voltage battery 低电压电池
Load 负载
Gate driver 网关驱动器
Voltage sense 电压检测
PWM dead time soft overwrite blanking PWM停滞时间软覆盖消除
PWM output control PWM输出控制
4ch sampling hold A/D converter 12 bit 12位A/D转换器4ch采样保持
Duty control 周期控制
Over current detection 过流检测
feedback 反馈
Inductor current 电感电流
Slope compensation circuit 斜坡补偿电路
Comparator 比较器
Interrupt 中断
reference 参考
A/D converter 12 bit 12位A/D转换器
Output voltage 输出电压
Flash(ECC) 闪存(错误检查与纠错)
RAM(ECC) 内存(错误检查与纠错)
FR81S CPU/FPU 32 bit 32位 FR81S CPU/FPU
展望未来

混合动力汽车和电动汽车是未来环保汽车市场的重要组成部分。本文重点关注了车用MCU,但实际上,市场上还存在各种各样的直流设备和系统,例如,需要电源管理的太阳能电池板等。我们在此探讨的MCU类型可被应用于众多同类系统,用以提升它们的效率、性能和安全性。
 

图 5: 在未来的联网世界中,安全性将是至关重要的

Smart phone 智能手机
Control a car air conditioner before driving 开车前控制车载空调
Cloud(data center) 云(数据中心)
Big data collection 大数据收集
Electricity costs account 电费计算
Energy-saving total support 节能支持
Security 安全
Compact, downsizing 紧凑,缩减尺寸
DC/DC& Charger control DC/DC&充电器控制
Become of increasing importance for automotive security 对于汽车的安全性越来越重要
Energy share for connected cars 联网汽车的能源共享
V2H(vehicle to home) V2H(车辆到家)
V2G(vehicle to grid) V2G(车辆到电网)
V2V(vehicle to vehicle) V2V(车辆到车辆)
Smart houst 智能家庭
Solar panel 太阳能电池板
Battery 电池

微控制器不仅能够助力打造一个高效的社会,而且还能打造一个安全的社会。为了实现这个愿景,未来的数字电子器件应能在很多方面从容应对以下趋势和挑战:

在不远的将来,所有事物都将联网。汽车对于交通而言非常重要,但如果不能很好地抵御网络攻击,它们也会成为威胁。MCU等数字组件需要保护车辆免遭外部网络攻击(见图5)。

基于模型的开发(MBD)能够通过代码自动生成大幅缩短嵌入式软件的开发时间。在模拟环境中,我们甚至能够在获得实物系统之前测试各类安全隐患。通过分析系统对标准测试中可能不会出现的各种异常事件的响应,模拟环境能够帮助我们开发出更安全的系统。

集成能够降低成本,同时优化性能。
 

关键字:MCU  电动汽车

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0610/article_10957.html
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