基于數(shù)字電源MCU的電動(dòng)汽車智能充電方案

近年來(lái)，隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的追求和環(huán)保意識(shí)的提升，電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，數(shù)字電源技術(shù)逐漸成為推動(dòng)電動(dòng)汽車性能優(yōu)化和效率提升的核心力量。

數(shù)字電源技術(shù)概述

傳統(tǒng)的模擬電源使用模擬控制器調(diào)節(jié)電壓、電流等參數(shù)。數(shù)字電源是一種利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)電源進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的電源系統(tǒng)，其方式與模擬電源非常相似，主要采用微處理器或微控制器（MCU）來(lái)精確管理這些參數(shù)。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，數(shù)字電源不僅能夠提升調(diào)節(jié)的精度和響應(yīng)速度，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自我優(yōu)化。

全數(shù)字控制的電源系統(tǒng)包括“數(shù)字控制”和“數(shù)字電源管理”。其中，數(shù)字控制包括功率開(kāi)關(guān)控制反饋或前饋回路，由數(shù)字電路或可編程控制器控制，通過(guò)使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)占空比來(lái)調(diào)節(jié)功率系統(tǒng)的輸出。在數(shù)字電源中，這些先進(jìn)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制電路結(jié)合了A/D轉(zhuǎn)換（ADC）、脈寬調(diào)制（PWM）以及通信接口等，完全或大部分以數(shù)字模式運(yùn)行，以獲得優(yōu)異的系統(tǒng)性能。由數(shù)字電路或可編程控制器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電源管理可提供配置、診斷、監(jiān)測(cè)、保護(hù)以及通信等功能。

數(shù)字電源具有以下顯著特點(diǎn)：

更高的精度和效率

相比傳統(tǒng)的模擬電源，數(shù)字電源的控制更精細(xì)，能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整輸出，減少能量損耗，提升整體效率。通過(guò)添加新功能，產(chǎn)品靈活性大大提高，且無(wú)需硬件更改，增強(qiáng)了項(xiàng)目的可移植性。

智能化控制

數(shù)字電源能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功率系統(tǒng)的智能管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、電壓和電流，并根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整參數(shù)，以提高安全性和穩(wěn)定性。

集成性與可擴(kuò)展性

數(shù)字電源通常具備良好的集成性，由于全面集成，減少了組件數(shù)量和成本。一方面可以輕松與其他電子系統(tǒng)相互通信，同時(shí)又具備高度可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。因此，數(shù)字電源系統(tǒng)擁有更短的研發(fā)周期，更少的電路板原型制作成本。

數(shù)字電源主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)，并側(cè)重于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心PSU、電信電源、電動(dòng)汽車（EV）充電站、UPS、能源發(fā)電系統(tǒng)的解決方案。因可獨(dú)立于硬件的控制，故全數(shù)字控制的SMPS可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化設(shè)計(jì)，可編程性優(yōu)勢(shì)也使得自適應(yīng)控制和非線性控制算法的實(shí)現(xiàn)更容易，有助于提高系統(tǒng)全工作范圍的性能和效率，且更容易實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展，使得設(shè)備在未來(lái)的升級(jí)換代中更能節(jié)省成本。

越來(lái)越廣泛的應(yīng)用使得數(shù)字電源應(yīng)用市場(chǎng)一直保持增長(zhǎng)，根據(jù)The Brainy Insights的預(yù)計(jì)，到2030年，全球數(shù)字電源應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到2,049億美元，2022年至2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為14.5%。

電動(dòng)汽車中的數(shù)字電源

電動(dòng)汽車的核心組成部分包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機(jī)控制器、車載充電器（OBC）等，這些系統(tǒng)的性能將直接影響到電動(dòng)汽車的續(xù)航能力、充電速度以及整體效率。數(shù)字電源技術(shù)在這些關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，大大提升了電動(dòng)汽車的性能和用戶體驗(yàn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

電池管理系統(tǒng)（BMS）

數(shù)字電源技術(shù)在BMS中的應(yīng)用尤為重要。BMS的核心任務(wù)是確保電池組的安全、高效工作，并延長(zhǎng)電池的使用壽命。通過(guò)數(shù)字電源技術(shù)，BMS能夠精確監(jiān)控電池的狀態(tài)，如電壓、溫度和充電/放電電流，并動(dòng)態(tài)調(diào)整電池組的工作狀態(tài)。例如，在不同的工作條件下，BMS可以根據(jù)電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出功率，從而優(yōu)化能量使用，延長(zhǎng)續(xù)航里程。

電機(jī)控制系統(tǒng)

電機(jī)是電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)核心，數(shù)字電源在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以精確調(diào)節(jié)電機(jī)的電流、電壓以及轉(zhuǎn)速，從而確保電機(jī)在不同工況下高效運(yùn)行。數(shù)字控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整電源的輸出，避免功率浪費(fèi)，提高電動(dòng)汽車的加速性能和動(dòng)力響應(yīng)能力。

車載充電器（OBC）

車載充電器負(fù)責(zé)將外部交流電源轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電。數(shù)字電源技術(shù)的引入，使得車載充電器能夠通過(guò)算法優(yōu)化充電過(guò)程，提高充電效率，縮短充電時(shí)間。數(shù)字電源還能夠監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中的各種參數(shù)，如電壓、電流、溫度等，確保充電過(guò)程的安全性和可靠性。

直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）

在電動(dòng)汽車中，DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將電池組輸出的高壓電能轉(zhuǎn)換為不同子系統(tǒng)所需的低壓電能。數(shù)字電源技術(shù)能夠通過(guò)更加精確的控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和電流，從而提升整體能量轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗。

基于數(shù)字電源MCU的電動(dòng)汽車智能充電

功率轉(zhuǎn)換是電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)的核心，需要先進(jìn)的控制方法和復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如多相、圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）、雙向或逆變DC/DC等。電動(dòng)汽車和電源制造商可以通過(guò)利用相同的軟件框架來(lái)控制具有不同額定功率、不同輸入/輸出電壓和不同脈寬調(diào)制（PWM）頻率的類似電源拓?fù)?，從而利用?shù)字電源MCU的適應(yīng)性和多功能性。

對(duì)于智能電池管理和充電系統(tǒng)，使用數(shù)字功率MCU為特定拓?fù)淙鐖D騰柱功率因數(shù)校正（PFC）或諧振（LLC）全橋DC/DC開(kāi)發(fā)的相同軟件可以從低功率到高功率重復(fù)使用，其過(guò)程只需更改數(shù)字控制參數(shù)和與新功率級(jí)相關(guān)的一些軟件參數(shù)。因此，數(shù)字電源MCU使制造商能夠一次又一次地有效地重用或重新應(yīng)用他們?cè)陔娫纯刂栖浖矫娴耐顿Y，并具有滿足應(yīng)用要求的各種額定功率。

Texas Instruments公司的C2000 MCU為需要高效功率轉(zhuǎn)換和高性能電機(jī)控制技術(shù)的電動(dòng)汽車提供嵌入式實(shí)時(shí)控制解決方案。無(wú)論采用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C2000均可為電動(dòng)汽車車載電池充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器提供精確的波形控制。通過(guò)構(gòu)建監(jiān)控電池功率轉(zhuǎn)換的平臺(tái)，以及將功率轉(zhuǎn)換效率提高個(gè)位數(shù)百分點(diǎn)，C2000 MCU還能極大限度地減少能量損失。此外，基于C2000 MCU的參考設(shè)計(jì)，還可快速評(píng)估和開(kāi)發(fā)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

圖4：C2000 MCU可用來(lái)控制全橋LLC DC/DC（圖源：Texas Instruments）

數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）是微控制器的一個(gè)分支,在單個(gè)芯片中集成了微控制器的一整套功能與強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能，大大簡(jiǎn)化了對(duì)外部電路的需求。在汽車電子行業(yè)，其目標(biāo)應(yīng)用包括EV/HEV車載充電器、EV/HEV DC-DC轉(zhuǎn)換器以及EV/HEV充電站等。

圖5：全數(shù)字功率控制系統(tǒng)具有更高的集成度，一個(gè)DSC即可取代模擬控制系統(tǒng)中的MCU +PWM控制器（圖源：NXP）

NXP的MC56F80xxx系列基于高性能的100MHz 56800EF DSP內(nèi)核，具有集成的FPU和CORDIC/三角數(shù)學(xué)引擎，可為數(shù)字功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制應(yīng)用提供高性能、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。MC56F80xxx將DSP的處理能力和MCU的功能與一組靈活的外設(shè)相結(jié)合，產(chǎn)品集成了先進(jìn)的高速高精度外設(shè)，如312ps分辨率的8通道eFlexPWM、兩個(gè)高速12位ADC、兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)正交解碼器和三個(gè)模擬比較器。

圖6：MC56F80000-EVK是面向MC56F80xxx系列的超低成本開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)快速原型制作和開(kāi)發(fā)（圖源：NXP）

本文小結(jié)

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電源技術(shù)的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。首先，數(shù)字電源技術(shù)的智能化和自動(dòng)化特性，使得電動(dòng)汽車能夠更加高效地管理能源，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，并提升整體的駕駛體驗(yàn)；其次，數(shù)字電源的高集成度和靈活性，使其能夠根據(jù)不同車型和需求進(jìn)行定制化調(diào)整，這對(duì)于汽車制造商來(lái)說(shuō)具有極大的吸引力。

未來(lái)，隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電源技術(shù)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。例如，數(shù)字電源與云端平臺(tái)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的安全性和智能化水平。此外，數(shù)字電源技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)無(wú)線充電、雙向充電等新興技術(shù)的發(fā)展，使電動(dòng)汽車的能源管理更加便捷和高效。

數(shù)字電源技術(shù)作為電動(dòng)汽車領(lǐng)域的重要技術(shù)，正在迅速推動(dòng)該行業(yè)的發(fā)展。通過(guò)數(shù)字控制技術(shù)，電動(dòng)汽車能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、更長(zhǎng)的續(xù)航里程以及更優(yōu)化的用戶體驗(yàn)。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，數(shù)字電源技術(shù)將在電動(dòng)汽車的能源管理、動(dòng)力控制和智能化領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。