专用单片机如何满足车载充电器设计需求

解决'距离焦虑'对于专注于电动汽车的工程师来说至关重要。根据内燃机(ICE)车辆的范围和燃料经验,消费者的期望很难改变。

电池容量是一个考虑因素。随着设计师努力通过扩大储能容量和逐步提高效率来优化产品范围，它的尺寸和电压都在增加。车辆电子产品的尺寸和重量，特别是线束，也是一个优化的目标。这些因素对每次充电的车辆行驶里程有重大影响;然而，它们是一把双刃剑。更大的电池需要更长的时间充电;在越野旅行中，在充电站停车4个小时是不可能的。

较高的直流连接电压要求使用不同的能源转换技术;而车辆模块必须显示出安全可靠的尖端性能,如ISO26262。此外,某些关键性能指标的目标,如提高能量密度(kw/l)和比功率(kw/千克),使得像OBC这样的系统的设计更具挑战性。

OBC架构

车载充电器(OBC)是能源'价值链'的一个关键部分。电池的大小决定了OBC的输出功率等级;它的主要作用是把电网的能量转换成电池管理系统用来给电池组充电的直流电流。OBC必须这样做,同时遵守严格的排放要求和满足其主要生产指标。

设计师使用不同的架构来实现他们的目标，他们根据若干目标在各种方法中作出选择,其中包括传入电源的性质(阶段数)、成本/效率指标,以及设计是否需要支持车辆到电网(V2G)的能量转移,这需要双向结构。另一方面,模块的体积和重量主要由电容器、电感器和变压器等离散组件决定。这些部件限制了能量密度性能。

800V或更高的电动汽车出现较高电压,推动了在能量转换应用中使用宽带隙半导体技术,特别是那些连接到DC-LINK总线的技术,包括OBC、BM和逆变器。对于OBC来说,碳化硅(IC)或氮化钡(GAN)正成为支持更高电压和功率等级的首选技术。

SIC是理想的,因为它支持在非常高的电压和温度下有效的操作。它还降低了成本和尺寸,因为它需要一个更小更便宜的冷却设备。当与更快的控制环相结合时,WBT设备可以显著地缩小图3中所显示的离散组件的空间需求。其次,具有增强的数字控制能力的先进微控制器架构能够支持更快的开关和控制循环,从而提供有助于实现能源密度和成本等设计目标的集成水平。

传统单片机的缺点

当然,电动车辆系统提出了独特的挑战,必须通过有针对性的解决办法加以解决。这在微控制器的选择中是明确的。传统的汽车单片机,比如那些为冰车动力系统设计的单片机,并不是为支持电气化设计要求所需的基本的数字化、模拟化和系统级能力而设计的。例如,大多数传统的汽车单片机不能支持高开关频率,以获得wbg技术的好处。

许多传统的汽车单片机支持不到150千赫的压波M开关频率,而缺乏压波M分辨率来利用在功率因数校正(PFC)和直流-直流转换器阶段至关重要的wbc技术。例如,一些200兆赫的单片机提供了一个低至80兆赫的输入时钟。在这种情况下,如果所需的压波M频率是150千赫,单片机将只支持9位压波M分辨率。

对于OBC来说,这种能力不适合基于硅混合物的实现,更不用说WBT设备了。图4强调了开关频率的重要性,而压波M分辨率也是一个重要方面,因为它主要根据由模拟数字转换器(ADCS)测量的输入参数决定开关启动/停止运行的时间。

为了充分发挥SIC/GAN器件的潜力,设计必须优化控制回路。这就需要有更高的分辨率,精确的死时控制,更快的ADCS,以及更快的计算来减少控制循环的时间。此外,ADC样品应与压波器输出控制同步.因此,单片机的功能对OBC的重量、足迹和成本有很大的影响。

在典型的PFC或DC-DC控制回路中,单片机测量电压和电流。接下来,单片机和DSP在这些测量值上运行一个算法,然后控制PWMS的任务周期。控制环定时取决于:

· 电压/电流采样率

· 计算吞吐量

· 反应时间

在OBC中控制/监控电压/电流需要高的ADC采样速率,再加上良好的CPU吞吐量(DMIPS)和数学加速器。这些决定了算法的执行时间.道数和相关的分辨率决定了输出控制的速度和精度,以及转换器级的集成水平在设备中可能。例如,并行输出级被用来增加输出功率;这种配置要求同时对两个阶段的电流和电压进行采样。这需要四个ADC实例;因此,不仅通道的数量重要,而且实例的数量也很多。

硅MOSFT需要更长的死机时间,以减少开关损失,而SIC/GAN允许更短的死机时间。短的死机时间可以增加在一个循环中从输入到输出的功率。大多数传统的单片机不能支持这些小的死亡时代。

OCS必须包括防止过电流、过电压和过温度的保护。模拟比较器通常用于检测这些故障,并尽可能快地控制输出,以避免损坏。这些比较器需要非常快速的响应时间。为这些应用而非专用的单片机可能没有比较器,或者它们的响应时间太长,使它们不适合在OBC中实现保护。即使使用外部比较器来实现保护机制,它们也需要数字到模拟转换器(DACS)来生成引用,大多数单片机通常没有任何或足够的外部DACS。此外,使用外部比较器会增加解决方案足迹的规模和成本。

超越控制循环机制

除了控制和保护机制之外,还应仔细审查其他方面。

· 无线电固件更新支援

· 功能安全(ISO26262)

· 安全措施

汽车设计周期正在加快,OEM必须不断提供新的功能,以跟上竞争的步伐;因此,车辆正在成为'软件定义'。这使公司启用的功能能够货币化。这些方面需要支持固件升级后的销售,所以,单片机必须支持OTA更新。

汽车设计也要求功能安全.虽然每个OBC的设计要求可能有所不同,但在大多数情况下,系统必须通过AISL-D支持AISR-B。并非所有的单片机都支持单级核心,而其他的则禁止使用独立执行。设计者能够选择独立执行或独立执行的核心提供更大的灵活性,以支持各种安全完整性水平。这使得设计可以根据成本和可伸缩性进行优化。

而且,对于有连接的汽车,网络攻击的风险更大。因此,OBC可能需要埃维塔或埃维塔的中型安全性来应对这些威胁。这种安全性对于连接到电网的车辆尤为重要。

为了促进电气化,一些单片机供应商提供满足这些新要求的设备。一个例子是 Stellar E1 (SR5E1) 将标准单片机和DSP功能集成到一个设备中,为OBC提供单片机解决方案。

星形E1是一个AEC-Q100的合格单片机,包括2x臂皮层M7核心,因此一个核心可以用于一个PFC环路,一个用于在双向OBC实现的DC-DC阶段。为了支持快速的控制循环,星星E1含有一个CORDIC数学加速器。该单片机包含12个高分辨率的计时器,具有104-PS分辨率,支持大于1MHZ的压水管开关频率与精确的死时控制。结合快速计算能力,高分辨率定时器取代了外部DSP。

这些设备还包括芯片上的快速比较器来实现保护。此外,他们还提供2.5MSP12位合成孔径雷达应用程序包,提供多达5MSP的双模式,可以提高控制环性能。该设备中的两个单片机核心可以独立运行(对于一个空间-B系统),或者在需要更高安全性的情况下可以同步运行。

星星E1微控制器实现A/B交换OTA固件升级,促进领域升级。此外,一个硬件安全模块(HSM)子系统提供的安全性最高到埃维塔媒介管理网络安全。

有目的的微型计算机

较高的开关频率可以提高OBC中的功率密度,减少重量、空间和成本。为OBCS定制的单片机不需要外部DSP/DSC,包括能够高速切换和诊断的外围设备。OBC要求快速的控制循环,涉及复杂的计算和通过各种传感器紧密耦合的反馈;因此,数学加速器和快速的ADCS是必不可少的。

通常需要的其他功能包括高速比较器以及对固件升级、安全和安保的支持。在这里,专门为电子移动而设计的单片机,如星形E1,可以解决OBC系统设计的关键问题。