近年來，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）來精確管理這些參數(shù)。通過數(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，通過使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)占空比來調(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。通過添加新功能，產(chǎn)品靈活性大大提高，且無需硬件更改，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)備在未來的升級(jí)換代中更能節(jié)省成本。

越來越廣泛的應(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算法優(yōu)化充電過程，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)充電過程中的各種參數(shù)，如電壓、電流、溫度等，確保充電過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利用相同的軟件框架來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)洌瑥亩脭?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開發(fā)的相同軟件可以從低功率到高功率重復(fù)使用，其過程只需更改數(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)估和開發(fā)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

C2000 MCU可用來控制全橋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。

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系列的超低成本開發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)快速原型制作和開發(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)于汽車制造商來說具有極大的吸引力。

未來，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，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。