未來出行時(shí)代，牽引逆變器和電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)及方案

未來出行時(shí)代，用車的方式和場(chǎng)景可能會(huì)發(fā)生巨變，例如共享汽車、自動(dòng)駕駛車隊(duì)等新的服務(wù)模式盛行。隨之而來的，車廠的角色也就發(fā)生改變，整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)的模式可能都會(huì)重塑。伴隨著這種變化的同時(shí)，對(duì)于汽車電子層面有了新的需求，并且提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

面對(duì)未來出行的全新趨勢(shì)，近日NXP專門召開發(fā)布會(huì)進(jìn)行了深度解讀，并且介紹了其最新的云孿生電池和牽引逆變器解決方案。

未來出行時(shí)代，主驅(qū)逆變器的客戶需求

電動(dòng)汽車主要由電機(jī)、電池和牽引逆變器三大部分組成，如下圖所示，這是典型的牽引逆變器（TractionInverter）的工作原理。

1.VCU向牽引逆變器控制MCU發(fā)送扭矩命令（電機(jī)速度）

2.MCU 執(zhí)行磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法以向柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制脈沖 (PWM)

3.隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)SiC FET 以切換高壓電池直流電，從而為牽引電機(jī)提供多相交流電

4.牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)以移動(dòng)車輛（加速/減速）

5.MCU 發(fā)送勵(lì)磁信號(hào)給解析器以確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度

6.旋轉(zhuǎn)變壓器輸出代表電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的模擬（正弦/余弦）信號(hào)

7.MCU 執(zhí)行安全軟件解析器功能以確定電機(jī)位置和速度以實(shí)現(xiàn)精確控制

據(jù)NXP觀察，隨著未來出行的場(chǎng)景升級(jí)，業(yè)界對(duì)于主驅(qū)逆變器有著六大發(fā)展趨勢(shì)。第一，對(duì)性能和效率的要求越來越高，這也包括了提升續(xù)航里程或者是駕駛里程；第二，更高等級(jí)的功能安全，有ASIL D最高的安全水平；第三，要求電動(dòng)車有更高的可靠性和可獲得性，這類需求主要來自未來共享出行、自動(dòng)駕駛出租車等新的應(yīng)用場(chǎng)景；第四，幫助車廠提高電機(jī)的可擴(kuò)展性，通常一臺(tái)入門級(jí)的汽車可能只需要一個(gè)電機(jī)，中檔的汽車可能需要兩個(gè)電機(jī)，高性能的汽車需要三個(gè)電機(jī)，而卡車或者是越野車可能就需要四個(gè)電機(jī)了，在這個(gè)過程中就需要牽引逆變器提供支持；第五，新的區(qū)域車輛架構(gòu)的設(shè)計(jì)；第六，對(duì)電動(dòng)車總成本的控制。

為了滿足當(dāng)下和未來的主驅(qū)逆變器的設(shè)計(jì)要求，NXP在近日的慕尼黑電子展上推出了最新的S32K39系列MCU。S32K系列推出已有一年多的時(shí)間，原先是針對(duì)一些通用型的電機(jī)控制，但最新的K39系列則是更多針對(duì)牽引電機(jī)的控制。

據(jù)恩智浦半導(dǎo)體車輛控制和網(wǎng)絡(luò)解決方案全球營(yíng)銷總監(jiān)Brain Carlson介紹，K39的創(chuàng)新之處在于可以一顆MCU實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的控制，而且這兩個(gè)電機(jī)都可以在200kHz的環(huán)路下進(jìn)行控制。通常一個(gè)典型的MCU只能控制一個(gè)逆變器，而且通?？刂骗h(huán)范圍是在50kHz到100kHz。K39系列能夠同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)且保持在200KHz的水平上，無論是與NXP前代方案或是和市面上其他的現(xiàn)有方案相比，都實(shí)現(xiàn)了極大的性能提升。

S32K39：一顆MCU實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的控制

恩智浦S32K39系列微控制器是集性能、集成、網(wǎng)絡(luò)、信息安全和功能安全于一體，通過時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以太網(wǎng)支持邊緣智能驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，在這個(gè)過程中，通過NXP的模擬外設(shè)集成，可以顯著地降低系統(tǒng)成本，并實(shí)現(xiàn)ASIL D最高的安全水平。和之前的K37相比，S32K39的主要區(qū)別就在于增加了雙電機(jī)控制協(xié)處理器。

如下圖所示，S32K39搭載4個(gè)工作頻率為320 MHz的Arm Cortex-M7內(nèi)核，配置為一個(gè)鎖步核和兩個(gè)分立核，且通過雙200 kHz控制環(huán)路提高能效，也支持新推出的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)。S32K39同時(shí)還可以控制六相電機(jī)，以提高功率密度和容錯(cuò)性，保持長(zhǎng)期高可靠性。用戶可以自主選擇采用兩個(gè)三相的電機(jī)或者是單一使用一個(gè)六相的電機(jī)兩種不同的配置，這一特性能夠支持汽車廠商電機(jī)擴(kuò)展的需求，實(shí)現(xiàn)從一臺(tái)電機(jī)到四臺(tái)電機(jī)的擴(kuò)展。

此外S32K39支持最高6MB閃存，內(nèi)置DSP可以支持機(jī)器學(xué)習(xí)和ADC數(shù)字濾波，具有NanoEdge高分辨率脈寬調(diào)制（PWM），搭載安全ASIL D軟解碼消除了對(duì)外部組件的需要，獲得了極高的安全性。

在開發(fā)層面上，S32K39提供了非常強(qiáng)大的軟件能力，包括一整套對(duì)于部件、操作系統(tǒng)中間件、電機(jī)控制、電機(jī)演示功能等的軟件支持，同時(shí)有一系列的工具便于在MATLAB上面進(jìn)行演示。此外，NXP也提供了電機(jī)控制應(yīng)用調(diào)整功能（MCAT）、S32設(shè)計(jì)工作室（S32DS）、S32配置工具（S32CT）等一整套的軟件的賦能客戶的方案設(shè)計(jì)。

高靈活度S32K39，適用各種不同EE架構(gòu)

在系統(tǒng)層面，S32K39可與FS26安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）和具備可調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度控制的先進(jìn)高壓隔離柵極驅(qū)動(dòng)器GD3162結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)安全的逆變器控制系統(tǒng)。GD3162主要是進(jìn)行高低壓的切換，和SiC晶體管一起來實(shí)現(xiàn)牽引逆變器的功能。

如下圖所示，在汽車中S32E2和S32K39相互間可以進(jìn)行良好的協(xié)作。在前端S32E2可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，后端S32K39可以對(duì)兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制。得益于S32E可以實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)控制的特性，所以雖然只有三個(gè)電機(jī)，但仍可以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)前不同客戶的域控設(shè)計(jì)并不相同，尚未有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范。而且不同層次的客戶的設(shè)計(jì)能力，對(duì)于車輛的定位也有所不同，這對(duì)于車載MCU的靈活度提出了要求。

S32K39可以適用于三種不同的設(shè)計(jì)方案，例如單獨(dú)配置為一個(gè)ECU，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)或雙電機(jī)架構(gòu)。或者和S32Z和S32E協(xié)同工作，配置為一個(gè)智能執(zhí)行器；S32Z/E相當(dāng)于電動(dòng)車的大腦，S32K39實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)側(cè)的智能驅(qū)動(dòng)，相互之間通過CAN或者以太網(wǎng)通信。再者，S32K39可以和S32Z/E組成一個(gè)ECU中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)配套設(shè)備，兩者之間通過Zipwire總線進(jìn)行通信。

云孿生BMS系統(tǒng)將成為未來汽車的標(biāo)配

如今車輛的連接性又了非常大的提升，很多車輛的眼瞼更新基本都是通過云端進(jìn)行更新的。在云端可以生成這臺(tái)車或者整個(gè)車隊(duì)的數(shù)字孿生。數(shù)字孿生對(duì)于新時(shí)代的汽車而言，將會(huì)成為一種必備的功能趨勢(shì)。這一方面是來自O(shè)EM汽車廠商的需求，他們需要了解到車輛乃至車隊(duì)的具體信息，進(jìn)行更高的預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理。另一方面，一些國(guó)家政府對(duì)于數(shù)據(jù)有著相關(guān)的監(jiān)督要求，在本地、云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有著一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如歐盟已經(jīng)有了“電池護(hù)照”的概念，這也是業(yè)界對(duì)于未來的電池標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)實(shí)踐，通過這一標(biāo)準(zhǔn)能夠提高電動(dòng)車的行駛里程，更好地增強(qiáng)電動(dòng)車電池的健康狀態(tài)和充電的狀態(tài)，并且最大化電池的回收利用價(jià)值。

AI驅(qū)動(dòng)的云孿生BMS系統(tǒng)，主要由三個(gè)部分組成。如下圖所示，電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行電池信息的采集、監(jiān)測(cè)、診斷；域推進(jìn)控制器中的計(jì)算平臺(tái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)電動(dòng)動(dòng)力總成的能量并進(jìn)行優(yōu)化；云連接中的連接單元向上和云端連接，實(shí)現(xiàn)基于云的服務(wù)，同時(shí)獲取云端的軟件更新，連接到本地進(jìn)行OTA升級(jí)。

電池管理系統(tǒng)中包含電池監(jiān)控單元、電池接線盒和電池監(jiān)控電路三個(gè)部分，整個(gè)系統(tǒng)中包含控制器，模擬前端、壓力傳感器和高速電池網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵器件。傳感器和模擬前端進(jìn)行高速的電池關(guān)鍵信息采集，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)信息的高度同步，控制器負(fù)責(zé)整個(gè)電池監(jiān)控系統(tǒng)的控制工作。

恩智浦半導(dǎo)體電池管理系統(tǒng)總監(jiān)兼部門經(jīng)理Andreas Schlapka表示，BMS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量最終會(huì)決定云上數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和所謂精度，同時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量又取決于上傳數(shù)據(jù)的頻繁性，包括數(shù)據(jù)上傳前在車?yán)飳?duì)數(shù)據(jù)的管理和預(yù)處理也是一個(gè)因素。而NXP的BMS云孿生方案可以將電池的健康狀態(tài)提升12%，延長(zhǎng)電池的使用壽命。這樣做可以帶來兩方面的好處，一方面是可以幫助用戶更好地了解到電池的情況，另一方面也會(huì)影響到駕駛者對(duì)于電池的使用，比如說用戶了解到電池的信息之后，可以自由地選擇快慢充或者一種相對(duì)更加省電的駕駛的方式。

NXP云孿生BMS方案：S32G GoldBox+HV-BMS

NXP的云孿生BMS方案由S32G GoldBox和高壓BMS參考設(shè)計(jì)兩部分組成，S32G GoldBox提供到云端的連接以及人工智能的驅(qū)動(dòng)，HV-BMS負(fù)責(zé)電池的信息監(jiān)控和采集，云端的數(shù)字模型方面，NXP與Electra Vehicles合作采用其云端算法進(jìn)行建模和仿真。

如下圖所示，HVBMS就是高壓電池管理系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)，其中包含S32K3 MCU，模擬前端N-AFE以及電池的接線盒等。HVBMS的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線（CAN）傳送給S32G GoldBox，它可以通過連接把數(shù)據(jù)傳送到電池的外部。通常這種連接會(huì)用于無線的遠(yuǎn)程更新，包括信息的傳送等，但在這時(shí)候可以將其用于電池的相關(guān)信息向云端的傳送。

NXP的合作伙伴Electra Vehicles的軟件會(huì)在云端生成一個(gè)模型，這個(gè)模型就是類似于每一臺(tái)電池的孿生，會(huì)體現(xiàn)每臺(tái)電池的情況。如果有一個(gè)車隊(duì)的話，通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，最后能夠生成一個(gè)自適應(yīng)的模型，這個(gè)模型可以去做模擬、預(yù)測(cè)，提升電池充電的狀態(tài)，延長(zhǎng)電池的使用壽命，提升電池使用的安全性，同時(shí)還可以增加電池剩余的使用壽命。在這個(gè)過程中可以獲得更好的掌控，獲得更加準(zhǔn)確的電機(jī)信息數(shù)據(jù)。

一旦人工智能算法在云端已經(jīng)做好開發(fā)，用戶就可以直接下載到汽車上。用戶的車其實(shí)已經(jīng)存在與人工智能的網(wǎng)絡(luò)中，云端的算法下載到車載的MCU控制器之后，用戶就可以在本地去監(jiān)測(cè)電池的健康狀態(tài)、充電的狀態(tài)，包括CAN總線充電的情況。因?yàn)樗械臄?shù)據(jù)都是跟云端連接的，用戶也可以更好地了解到電池在過去一段時(shí)間里的使用情況，以及用了多少數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。

Andreas Schlapk，通過對(duì)電池的使用壽命的延長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車二氧化碳排放的大量減排，整個(gè)電動(dòng)汽車的能效也會(huì)更好。

結(jié)語

2022年新能源車銷售500萬輛以上，占比已經(jīng)達(dá)到20%，到2030年將達(dá)到60%。而中國(guó)在汽車電氣化的浪潮中，占據(jù)了主導(dǎo)地位。恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)資深市場(chǎng)經(jīng)理余辰杰表示，中國(guó)領(lǐng)先的新能源車企有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是非常注重幾大域控制器的自研，包括智駕、座艙和動(dòng)力域；二是對(duì)電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)比較關(guān)注。

新的汽車電氣化趨勢(shì)，給汽車芯片廠商提出了新的挑戰(zhàn)和要求。NXP此次新發(fā)布的牽引逆變器控制器S32K39和云連接BMS方案，不僅可以滿足當(dāng)下的客戶設(shè)計(jì)需求，而且也響應(yīng)了未來出行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。Brain Carlson表示，汽車廠商和半導(dǎo)體廠商已經(jīng)形成了更加緊密、更加高效的合作關(guān)系，這種緊密的合作其實(shí)也非常有利于整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展。