2012：看MCU在新能源汽車中的創(chuàng)新應(yīng)用

2011年，隨著比亞迪汽車光環(huán)的幻滅，本土純電動新能源汽車產(chǎn)業(yè)曾一度陷入低迷狀態(tài)，飽受爭議。但正像富士通半導(dǎo)體市場部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早最近在深圳一場題為“2012產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望”媒體研討會上指出的，“盡管最近幾年新能源汽車受到很多挑戰(zhàn)，包括電池技術(shù)瓶頸、汽車成本尚高、基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善等，但實(shí)際上無論從國家政府層面還是汽車廠商，發(fā)展新能源汽車的愿望是沒有變的，而且依然很迫切，因?yàn)槟茉窗踩铜h(huán)境污染問題刻不容緩。”

新能源汽車所面臨的這些挑戰(zhàn)必將推動半導(dǎo)體廠商、汽車廠商甚至是商業(yè)運(yùn)營相關(guān)方面（如國家電網(wǎng)、中石油、中石化）通過各種技術(shù)和商業(yè)手段設(shè)法解決，而國家還有地方政府對于新能源的補(bǔ)貼依舊會不斷加大。“油價日益上調(diào)，特別是中東的局勢，包括敘利亞，伊朗，中東局勢不穩(wěn)定?？梢钥隙?012年突破150美元，甚至是200美元也是非常高概率的事件，從而倒逼市場推出純電動新能源汽車的替代計劃。”丁潔早認(rèn)為。
 
圖1：富士通半導(dǎo)體市場部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早認(rèn)為能源危機(jī)正倒逼市場推出純電動新能源汽車的替代方案。

據(jù)悉，2012年各大汽車廠商都在規(guī)劃更加適合市場需求的入門級新能源汽車產(chǎn)品，政府將會和具體運(yùn)營公司一起給充/換電站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)安排更多的資金配套和給予政策支持。“作為汽車半導(dǎo)體的重要供應(yīng)商，富士通半導(dǎo)體2012年將在新能源汽車市場發(fā)力，包括跟合作伙伴一起合作，使新能源汽車真正從1萬臺發(fā)展到10萬臺甚至到50萬臺，到2016年達(dá)到百萬臺的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。” 丁潔早表示。

丁潔早在本次媒體研討會上從半導(dǎo)體廠商的角度，重點(diǎn)分享了2012年促進(jìn)新能源汽車快速發(fā)展的市場動因和MCU在新能源汽車中的創(chuàng)新應(yīng)用。

“插電混動”重返市場熱點(diǎn)

丁潔早首先分析了全球新能源汽車發(fā)展的大致格局。2012年，中國預(yù)計將會在新能源汽車的車型數(shù)量和充換電站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上取得領(lǐng)先優(yōu)勢，但是在新一代動力電池和驅(qū)動電機(jī)控制方面還需要更多創(chuàng)新。美國政府的政策則集中在動力電池的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，他們的想法是“誰掌握了動力電池技術(shù)，誰就占領(lǐng)了電動汽車未來”。歐洲方面將會繼續(xù)把全球優(yōu)秀合作伙伴的技術(shù)整合在一起，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合開發(fā)，同時利用發(fā)展中國家的巨大市場潛力和低廉生產(chǎn)成本，來迅速占領(lǐng)市場。日本將會繼續(xù)推動他們在混合動力電動汽車的發(fā)展規(guī)劃，同時推動新能源汽車的全球出口。

他強(qiáng)調(diào)，新能源汽車發(fā)展的成敗關(guān)系到未來中國國家石油安全，中國重點(diǎn)發(fā)展和補(bǔ)貼純電動(EV)和插電式混合動力汽車(PHEV)，純電動汽車將是最終的發(fā)展目標(biāo)，中短期內(nèi)將以插電式混合動力車作為重點(diǎn)發(fā)展的過渡車型，插電式混合動力汽車，直接由電網(wǎng)充電，電動機(jī)為主要動力輸出，發(fā)動機(jī)為輔，采用大容量電池，可以靠電力行駛較遠(yuǎn)的距離，如果電池耗盡，可以采用發(fā)動機(jī)繼續(xù)行駛，解決現(xiàn)實(shí)問題。插電式混合動力汽車已經(jīng)成為趨勢，比亞迪、中國一汽、吉利汽車、長城汽車、長安汽車、江淮汽車等都在大力發(fā)展。

富士通半導(dǎo)體的一站式汽車系統(tǒng)控制方案

無論是傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，安全、綠色、舒適的汽車電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車安全性包括零失效、功能安全和自診斷模塊；環(huán)境友好性指通過車載網(wǎng)絡(luò)的使用來減輕車重，從而降低能耗，還包括采用環(huán)保材料和工藝；強(qiáng)大的圖形圖像處理技術(shù)，直觀友好的人機(jī)界面都為駕駛者帶來舒適的駕駛體驗(yàn)。

“以上這些需求將主要具體涉及到汽車電子的四個方面：車身電子、車身儀表盤、圖像多媒體、底盤電機(jī)控制。而富士通半導(dǎo)體將提供一站式系統(tǒng)控制方案。”丁潔早表示。

 
圖2：富士通半導(dǎo)體提供一站式系統(tǒng)控制方案。

富士通半導(dǎo)體同樣可為新能源汽車提供一攬子解決方案，基本上涵蓋一輛EV/HEV全部整車的電子系統(tǒng)。從集成內(nèi)部RDC的MB91580系列專用電機(jī)控制32位MCU方案，到采用富士通GDC解決方案的圖形化虛擬顯示儀表；從采用CAN總線的低成本MB96F613設(shè)計的BMS方案和DC-DC轉(zhuǎn)換器，到多路CAN總線MCU FR81S開發(fā)的整車控制器。而且這些不同檔次的16位和32位MCU，均采用相同的低成本仿真器和一樣的編譯環(huán)境，這對客戶來說開發(fā)非常方便而且便宜。[!--empirenews.page--]

電機(jī)控制MCU創(chuàng)新提升能源效率

丁潔早特別分享了富士通半導(dǎo)體針對EV/PHEV的電機(jī)控制MCU方案創(chuàng)新，包括：1.改善電機(jī)運(yùn)行；2.降低能源消耗；3.降低系統(tǒng)成本。MB91580 MCU是全球首款專門面向新能源汽車電機(jī)控制的高性能MCU，集成了關(guān)鍵外設(shè)功能如RDC，可縮短電機(jī)控制時間，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

 
圖3:富士通MCU在電機(jī)控制方面的創(chuàng)新。

 圖4：MB91580內(nèi)置RDC：系統(tǒng)設(shè)計大大簡化！

針對電動汽車和插電混合動力汽車，如圖3所示，現(xiàn)有的系統(tǒng)采用雙芯片：MCU+外部RDC（旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器）的方案，CPU要從外部RDC讀取角度值，然后查表，搜索sin和cos值。而富士通半導(dǎo)體的MB91580方案采用單芯片：MCU集成了RDC，CPU可以任何時候直接從寄存器中讀出絕對角度值、sin和cos值。這樣就可極大簡化硬件電路，軟件設(shè)計工作也得到簡化。

“如果將RDC單獨(dú)放在外面，整個電機(jī)控制系統(tǒng)的成本可能占到6、7美元。2013年富士通半導(dǎo)體還將第二代新能源汽車電機(jī)控制MCU產(chǎn)品會集成兩個RDC在芯片內(nèi)部，從而達(dá)到進(jìn)一步降低成本的目的。”丁潔早表示。

MB91580 縮短馬達(dá)控制時間達(dá)40%！

如下圖5所示，通過高性能CPU縮短電機(jī)的控制時間之前有三個做法，需要1-9步的處理流程，比如PIC的計算等變換的處理。把這些處理全部集成到芯片里，通過硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在通過MB91580可將流程縮減為一半，5步就可以實(shí)現(xiàn)。這樣有什么好處？之前的處理時間25微秒，現(xiàn)在處理的時間可以控制在12微秒，可以縮短馬達(dá)控制時間達(dá)40%，從而提高電機(jī)運(yùn)行的效率。
 
圖5：MB91580集成的高性能CPU和內(nèi)設(shè)Rx I/F可縮短馬達(dá)控制時間40%。[!--empirenews.page--]

丁潔早介紹說，針對新能源汽車電機(jī)控制的MB91580系列共包含9個產(chǎn)品信號，提供從64管腳到100管腳還有144管腳的多種選擇。開發(fā)這么多款型是為了滿足不同區(qū)域客戶的要求，歐美的客戶可能選擇144個管腳，中國的客戶就選擇100管腳，有一些印度的客戶也可能選擇100個管腳，可滿足不同設(shè)計成本的市場需求。
 
圖6：MB91580 產(chǎn)品系列（9個產(chǎn)品，64管腳-144管腳）。

通用處理器在BMS和整車控制中大顯身手

新能源汽車整個控制方案，除了電機(jī)控制，還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車控制單元。這些都不需要專門的控制系統(tǒng)，“低成本、高性能”的通用處理器可迎合這樣的市場需求。富士通半導(dǎo)體推出了通用MCU系列新產(chǎn)品。像16位16FXS系列，它是精簡的版本，可將有些功能精簡下來，降低成本，符合汽車平臺化趨勢。

“客戶不管是選擇簡單的設(shè)計，還是復(fù)雜的設(shè)計，我們都有不同的型號來滿足。16位MCU 如16FXS系列比較適合一些低成本的控制應(yīng)用，像BMS；而32位MCU如FR81S系列就比較適合更復(fù)雜的整車控制應(yīng)用。”丁潔早表示。他闡述道，BMS現(xiàn)在成本很高，因?yàn)殡姵貑卧浅６?，每一個電池單元都要有一個MCU控制，大概需要幾十個MCU，如果把MCU成本降低，同時又不犧牲性能和質(zhì)量，這樣相當(dāng)于把整個新能源汽車設(shè)計向前推進(jìn)了一步。

不過。富士通的這些32位和16位通用MCU系列采用的是同一套仿真器和開發(fā)套件，都是采用USB調(diào)試連接。“這就有一個好處，當(dāng)設(shè)計師轉(zhuǎn)向高性能的時候，工具采購的投入，一套就可以完成。富士通的開發(fā)工具成本低于150美元，不到1000元人民幣。一千塊錢就可以搞定16位、32位所有整套工具，這是比較合算的。”丁潔早笑稱。

富士通半導(dǎo)體還開發(fā)了如圖7所示的一系列電動車電池管理系統(tǒng)參考方案，客戶針對量產(chǎn)還需要進(jìn)一步定制化和修改。
 
圖7.富士通新能源汽車電池管理系統(tǒng)參考方案。

 
圖8. 新能源汽車各個控制系統(tǒng)之間的集成創(chuàng)新概念。

如上圖8，對于新能源汽車應(yīng)用開發(fā)，包括各個控制系統(tǒng)，富士通還提出一個概念，叫做系統(tǒng)集成的創(chuàng)新，如通過MB91580 MCU可以通過電機(jī)控制抑制CPU負(fù)載率，因此它可以同時進(jìn)行BMS電池管理控制和DC-DC控制，這有利于通過系統(tǒng)集成削減整體成本。