【導讀】近年來，隨著全球對可持續(xù)發(fā)展的追求和環(huán)保意識的提升，電動汽車（EV）行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為電動汽車的關鍵組成部分，數字電源技術逐漸成為推動電動汽車性能優(yōu)化和效率提升的核心力量。
近年來，隨著全球對可持續(xù)發(fā)展的追求和環(huán)保意識的提升，電動汽車（EV）行業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為電動汽車的關鍵組成部分，數字電源技術逐漸成為推動電動汽車性能優(yōu)化和效率提升的核心力量。
數字電源技術概述
傳統(tǒng)的模擬電源使用模擬控制器調節(jié)電壓、電流等參數。數字電源是一種利用數字信號處理技術對電源進行控制和調節(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。通過數字信號處理技術，數字電源不僅能夠提升調節(jié)的精度和響應速度，還能夠實現實時監(jiān)控和自我優(yōu)化。
全數字控制的電源系統(tǒng)包括“數字控制”和“數字電源管理”。其中，數字控制包括功率開關控制反饋或前饋回路，由數字電路或可編程控制器控制，通過使用脈寬調制（PWM）技術驅動功率開關占空比來調節(jié)功率系統(tǒng)的輸出。在數字電源中，這些先進的自適應控制系統(tǒng)，其控制電路結合了A/D轉換（ADC）、脈寬調制（PWM）以及通信接口等，完全或大部分以數字模式運行，以獲得優(yōu)異的系統(tǒng)性能。由數字電路或可編程控制器實現的數字電源管理可提供配置、診斷、監(jiān)測、保護以及通信等功能。
數字電源具有以下顯著特點：
更高的精度和效率 相比傳統(tǒng)的模擬電源，數字電源的控制更精細，能夠根據實際需求靈活調整輸出，減少能量損耗，提升整體效率。通過添加新功能，產品靈活性大大提高，且無需硬件更改，增強了項目的可移植性。
智能化控制 數字電源能夠實現對功率系統(tǒng)的智能管理，實時監(jiān)控溫度、電壓和電流，并根據工作狀態(tài)調整參數，以提高安全性和穩(wěn)定性。 集成性與可擴展性 數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，同時又具備高度可擴展性，能夠根據不同應用場景進行調整。因此，數字電源系統(tǒng)擁有更短的研發(fā)周期，更少的電路板原型制作成本。
數字電源主要應用于開關模式電源(SMPS)，并側重于服務器和數據中心PSU、電信電源、電動汽車（EV）充電站、UPS、能源發(fā)電系統(tǒng)的解決方案。因可獨立于硬件的控制，故全數字控制的SMPS可實現平臺化設計，可編程性優(yōu)勢也使得自適應控制和非線性控制算法的實現更容易，有助于提高系統(tǒng)全工作范圍的性能和效率，且更容易實現功能的擴展，使得設備在未來的升級換代中更能節(jié)省成本。
越來越廣泛的應用使得數字電源應用市場一直保持增長，根據The Brainy Insights的預計，到2030年，全球數字電源應用市場預計將達到2,049億美元，2022年至2030年的復合年增長率為14.5%。
電動汽車中的數字電源 電動汽車的核心組成部分包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機控制器、車載充電器（OBC）等，這些系統(tǒng)的性能將直接影響到電動汽車的續(xù)航能力、充電速度以及整體效率。數字電源技術在這些關鍵領域的應用，大大提升了電動汽車的性能和用戶體驗，具體體現在以下幾個方面： 電池管理系統(tǒng)（BMS） 數字電源技術在BMS中的應用尤為重要。BMS的核心任務是確保電池組的安全、高效工作，并延長電池的使用壽命。通過數字電源技術，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，并動態(tài)調整電池組的工作狀態(tài)。例如，在不同的工作條件下，BMS可以根據電池的實時狀態(tài)調節(jié)輸出功率，從而優(yōu)化能量使用，延長續(xù)航里程。 電機控制系統(tǒng) 電機是電動汽車的驅動核心，數字電源在電機控制系統(tǒng)中的應用可以精確調節(jié)電機的電流、電壓以及轉速，從而確保電機在不同工況下高效運行。數字控制系統(tǒng)能夠實時調整電源的輸出，避免功率浪費，提高電動汽車的加速性能和動力響應能力。 車載充電器（OBC） 車載充電器負責將外部交流電源轉換為電池所需的直流電。數字電源技術的引入，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，縮短充電時間。數字電源還能夠監(jiān)測充電過程中的各種參數，如電壓、電流、溫度等，確保充電過程的安全性和可靠性。 直流-直流轉換器（DC-DC轉換器） 在電動汽車中，DC-DC轉換器負責將電池組輸出的高壓電能轉換為不同子系統(tǒng)所需的低壓電能。數字電源技術能夠通過更加精確的控制算法，動態(tài)調整DC-DC轉換器的輸出電壓和電流，從而提升整體能量轉換效率，減少能量損耗。 基于數字電源MCU的電動汽車智能充電 功率轉換是電動汽車充電設計的核心，需要先進的控制方法和復雜的拓撲結構，如多相、圖騰柱功率因數校正（PFC）、雙向或逆變DC/DC等。電動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制（PWM）頻率的類似電源拓撲，從而利用數字電源MCU的適應性和多功能性。 對于智能電池管理和充電系統(tǒng)，使用數字功率MCU為特定拓撲如圖騰柱功率因數校正（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使用，其過程只需更改數字控制參數和與新功率級相關的一些軟件參數。因此，數字電源MCU使制造商能夠一次又一次地有效地重用或重新應用他們在電源控制軟件方面的投資，并具有滿足應用要求的各種額定功率。 Texas Instruments公司的C2000 MCU為需要高效功率轉換和高性能電機控制技術的電動汽車提供嵌入式實時控制解決方案。無論采用哪種拓撲結構，C2000均可為電動汽車車載電池充電器和DC/DC轉換器提供精確的波形控制。通過構建監(jiān)控電池功率轉換的平臺，以及將功率轉換效率提高個位數百分點，C2000 MCU還能極大限度地減少能量損失。此外，基于C2000 MCU的參考設計，還可快速評估和開發(fā)電源轉換應用。 C2000 MCU可用來控制全橋LLC DC/DC 數字信號控制器（DSC）是微控制器的一個分支,在單個芯片中集成了微控制器的一整套功能與強大的數字信號處理(DSP)功能，大大簡化了對外部電路的需求。在汽車電子行業(yè)，其目標應用包括EV/HEV車載充電器、EV/HEV DC-DC轉換器以及EV/HEV充電站等。 全數字功率控制系統(tǒng)具有更高的集成度，一個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內核，具有集成的FPU和CORDIC/三角數學引擎，可為數字功率轉換和電機控制應用提供高性能、經濟高效的解決方案。MC56F80xxx將DSP的處理能力和MCU的功能與一組靈活的外設相結合，產品集成了先進的高速高精度外設，如312ps分辨率的8通道eFlexPWM、兩個高速12位ADC、兩個運算放大器、一個正交解碼器和三個模擬比較器。 圖6：MC56F80000-EVK是面向MC56F80xxx系列的超低成本開發(fā)平臺，可實現快速原型制作和開發(fā)（圖源：NXP） 本文小結 隨著電動汽車技術的快速發(fā)展，數字電源技術的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。首先，數字電源技術的智能化和自動化特性，使得電動汽車能夠更加高效地管理能源，延長續(xù)航時間，并提升整體的駕駛體驗；其次，數字電源的高集成度和靈活性，使其能夠根據不同車型和需求進行定制化調整，這對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（IoT）等技術的發(fā)展，數字電源技術在電動汽車中的應用將更加廣泛和深入。例如，數字電源與云端平臺相結合，能夠實現遠程實時監(jiān)控和數據分析，進一步提升電動汽車的安全性和智能化水平。此外，數字電源技術的進步將推動無線充電、雙向充電等新興技術的發(fā)展，使電動汽車的能源管理更加便捷和高效。 數字電源技術作為電動汽車領域的重要技術，正在迅速推動該行業(yè)的發(fā)展。通過數字控制技術，電動汽車能夠實現更高的效率、更長的續(xù)航里程以及更優(yōu)化的用戶體驗。未來，隨著技術的不斷創(chuàng)新，數字電源技術將在電動汽車的能源管理、動力控制和智能化領域發(fā)揮更加重要的作用。 文章來源：貿澤電子
（圖源：Texas Instruments）
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