【導讀】電池容量是一個考慮因素。隨著設計人員努力通過擴大儲能容量和逐步提高效率來優化范圍，它的尺寸和電壓都在增加。汽車電子設備（尤其是線束）的尺寸和重量也是優化的目標。這些因素對車輛每次充電的續航里程有重大影響；然而，它們是一把雙刃劍。更大的電池充電時間更長；在越野旅行中在充電站停車 4 小時是不可能的。
解決“里程焦慮”對于專注于電動汽車 (EV) 的工程師來說至關重要。由內燃機 (ICE) 車輛的續航里程和加油體驗決定，消費者的期望很難改變。
電池容量是一個考慮因素。隨著設計人員努力通過擴大儲能容量和逐步提高效率來優化范圍，它的尺寸和電壓都在增加。汽車電子設備（尤其是線束）的尺寸和重量也是優化的目標。這些因素對車輛每次充電的續航里程有重大影響；然而，它們是一把雙刃劍。更大的電池充電時間更長；在越野旅行中在充電站停車 4 小時是不可能的。
更高的直流母線電壓需要采用不同的能量轉換技術；和車輛模塊必須展現出符合 ISO 26262 標準的安全可靠的性能。此外，提高能量密度 (kW/l) 和比功率 (kW/kg) 等某些關鍵性能指標 (KPI) 目標使 OBC 等系統的設計更具挑戰性。
圖 1：OBC 是電動汽車能源價值鏈的關鍵部分。資料：意法半導體
OBC架構
車載充電器 (OBC) 是能源“價值鏈”的關鍵部分（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自電網的能量轉換為電池管理系統 (BMS) 用于為電池組充電的直流電。OBC 必須這樣做，同時遵守嚴格的排放要求并滿足其 KPI。
圖 2：電源設計師在 EV 中采用不同的 OBC 架構。資料：意法半導體
設計人員采用不同的架構來實現他們的目標（圖 2）。他們根據幾個目標在這些方法中進行選擇，包括輸入電源的性質（相數）、成本/效率目標，以及設計是否需要支持車輛到電網 (V2G) 能量傳輸，需要雙向架構. 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 參考設計。資料：意法半導體
800V 或更高電壓的電動汽車出現更高的電壓，推動了寬帶隙 (WBG) 半導體技術在能量轉換應用中的使用；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。
SiC 是理想選擇，因為它支持在非常高的電壓和溫度下高效運行。它還降低了成本和尺寸，因為它需要體積更小且更便宜的冷卻設備。SiC 和 GaN 支持比硅更高的開關頻率，并且當與更快的控制回路結合使用時，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，具有增強數字控制功能的微控制器架構支持更快的開關和控制回路，從而提供有助于實現能量密度和成本等設計目標的集成度。
傳統MCU的缺點
當然，EV 系統提出了獨特的挑戰，必須通過量身定制的解決方案來解決。這在微控制器的選擇上很明顯。傳統的汽車 MCU，例如專為 ICE 車輛動力總成設計的 MCU，并不是為支持電氣化設計要求所需的基本數字、模擬和系統級功能而設計的。例如，大多數傳統汽車 MCU 無法支持高開關頻率以享受 WBG 技術的優勢。
圖 4：傳統的 MCU 并非設計用于支持 WBG 晶體管的更高開關頻率。資料：意法半導體
許多這些傳統汽車 MCU 支持低于 150 kHz 的 PWM 開關頻率，并且缺乏 PWM 分辨率，無法利用 OBC 中用于功率因數校正 (PFC) 和 DC-DC 轉換器級的關鍵 WBG 技術。例如，某些 200 MHz MCU 為定時器/PWM 提供低至 80 MHz 的輸入時鐘。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。
對于 OBC，此功能不適合基于硅 MOSFET 的實現，更不用說 WBG 設備了。雖然圖 4 強調了開關頻率的重要性，但 PWM 分辨率也是一個重要方面，因為它在很大程度上決定了根據模數轉換器 (ADC) 測量的輸入參數激活/停用開關的時序。
為了充分發揮 SiC/GaN 器件的潛力，設計必須優化控制回路。這需要具有高分辨率的更快 PWM、的死區時間控制、更快的 ADC 和更快的計算以減少控制環路時序。此外，ADC 樣本應與 PWM 輸出控制同步。因此，MCU 的功能對 OBC 重量、尺寸和成本有重大影響。圖 5 顯示了使用傳統 MCU 的 OBC 的框圖。該系統采用外部 DSP 進行控制環路，采用外部比較器進行保護。
圖 5：框圖顯示了使用傳統 MCU 的典型 OBC 系統。資料：意法半導體
在典型的 PFC 或 DC-DC 控制回路中，MCU 測量電壓和電流。接下來，MCU 和 DSP 對這些測量值運行算法，然后控制 PWM 的占空比。控制回路時序取決于：
電壓/電流采樣率
計算吞吐量
反應時間
控制/監控 OBC 中的電壓/電流需要高 ADC 采樣率和良好的 CPU 吞吐量 (DMIPS)，并通過數學加速器進行增強。這些決定了算法的執行時間。PWM 通道的數量和相關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換器級集成度。例如，并聯輸出級用于增加輸出功率；并且這種配置需要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，不僅通道數量很重要，實例數量也很重要。
硅 MOSFET 需要更長的死區時間以限度地減少開關損耗，而 SiC/GaN 允許更短的死區時間。較短的死區時間增加了可以在一個周期內從輸入傳輸到輸出的功率。大多數傳統 MCU 無法支持這些小死區時間。
OBC 必須包括針對過電流、過電壓和過熱條件的保護。通常，模擬比較器用于檢測這些故障并盡快控制輸出以避免損壞。這些比較器需要非常快的響應時間。并非專為這些應用而構建的 MCU 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 中實施保護。即使使用外部比較器來實現保護機制，它們也需要數模轉換器 (DAC) 來生成參考，而大多數 MCU 通常沒有任何或足夠的外部 DAC。此外，使用外部比較器會增加解決方案的封裝尺寸和成本。
超越控制循環機制
除了控制回路和保護機制之外，還應仔細檢查其他方面。
無線 (OTA) 固件升級支持
功能安全（ISO 26262）
安全
汽車設計周期正在加速，原始設備制造商必須不斷提供新功能以跟上競爭步伐；因此，車輛正在成為“軟件定義”。這可以實現固件功能的貨幣化。這些方面都需要支持售后固件升級；因此，MCU 必須支持 OTA 更新。
汽車設計也需要功能安全。盡管每個 OBC 的設計要求可能不同，但在大多數情況下，系統必須支持 ASIL-B 到 ASIL-D。并非所有 MCU 都支持鎖步內核，而其他 MCU 則禁止使用獨立執行。設計人員選擇鎖步或獨立執行內核的能力為支持各種安全完整性級別提供了更大的靈活性。這允許針對成本和可擴展性優化設計。
而且，對于聯網汽車，網絡攻擊的風險更大。因此，OBC 可能需要 Evita Lite 或 Evita Medium 安全性來應對此類威脅。這種安全性對于連接到電網的車輛尤為重要。
為了促進電氣化，一些 MCU 供應商提供了滿足這些新要求的設備。Stellar E1 (SR5E1)就是一個例子，它將標準 MCU 和 DSP 功能集成到單個設備中，為 OBC 提供單芯片解決方案。圖 6 顯示了一個非常的 OBC 實現框圖。
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