單片機(jī)在新能源汽車(chē)中的創(chuàng)新應(yīng)用

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

新能源汽車(chē)所面臨的這些挑戰(zhàn)必將推動(dòng)半導(dǎo)體廠商、汽車(chē)廠商甚至是商業(yè)運(yùn)營(yíng)相關(guān)方面（如國(guó)家電網(wǎng)、中石油、中石化）通過(guò)各種技術(shù)和商業(yè)手段設(shè)法解決，而國(guó)家還有地方政府對(duì)于新能源的補(bǔ)貼依舊會(huì)不斷加大。“油價(jià)日益上調(diào)，特別是中東的局勢(shì)，包括敘利亞，伊朗，中東局勢(shì)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(chǎng)推出純電動(dòng)新能源汽車(chē)的替代計(jì)劃。”丁潔早認(rèn)為。

圖1：富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早認(rèn)為能源危機(jī)正倒逼市場(chǎng)推出純電動(dòng)新能源汽車(chē)的替代方案。

據(jù)悉，2012年各大汽車(chē)廠商都在規(guī)劃更加適合市場(chǎng)需求的入門(mén)級(jí)新能源汽車(chē)產(chǎn)品，政府將會(huì)和具體運(yùn)營(yíng)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(chē)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(chē)市場(chǎng)發(fā)力，包括跟合作伙伴一起合作，使新能源汽車(chē)真正從1萬(wàn)臺(tái)發(fā)展到10萬(wàn)臺(tái)甚至到50萬(wàn)臺(tái)，到2016年達(dá)到百萬(wàn)臺(tái)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。” 丁潔早表示。

丁潔早在本次媒體研討會(huì)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(chē)快速發(fā)展的市場(chǎng)動(dòng)因和MCU在新能源汽車(chē)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

“插電混動(dòng)”重返市場(chǎng)熱點(diǎn)

丁潔早首先分析了全球新能源汽車(chē)發(fā)展的大致格局。2012年，中國(guó)預(yù)計(jì)將會(huì)在新能源汽車(chē)的車(chē)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(shì)，但是在新一代動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方面還需要更多創(chuàng)新。美國(guó)政府的政策則集中在動(dòng)力電池的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，他們的想法是“誰(shuí)掌握了動(dòng)力電池技術(shù)，誰(shuí)就占領(lǐng)了電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)”。歐洲方面將會(huì)繼續(xù)把全球優(yōu)秀合作伙伴的技術(shù)整合在一起，推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，同時(shí)利用發(fā)展中國(guó)家的巨大市場(chǎng)潛力和低廉生產(chǎn)成本，來(lái)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。日本將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)他們?cè)诨旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)推動(dòng)新能源汽車(chē)的全球出口。

他強(qiáng)調(diào)，新能源汽車(chē)發(fā)展的成敗關(guān)系到未來(lái)中國(guó)國(guó)家石油安全，中國(guó)重點(diǎn)發(fā)展和補(bǔ)貼純電動(dòng)（EV）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV），純電動(dòng)汽車(chē)將是最終的發(fā)展目標(biāo)，中短期內(nèi)將以插電式混合動(dòng)力車(chē)作為重點(diǎn)發(fā)展的過(guò)渡車(chē)型，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，直接由電網(wǎng)充電，電動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿敵?，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)繼續(xù)行駛，解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)已經(jīng)成為趨勢(shì)，比亞迪、中國(guó)一汽、吉利汽車(chē)、長(zhǎng)城汽車(chē)、長(zhǎng)安汽車(chē)、江淮汽車(chē)等都在大力發(fā)展。

富士通半導(dǎo)體的一站式汽車(chē)系統(tǒng)控制方案

無(wú)論是傳統(tǒng)汽車(chē)和新能源汽車(chē)，安全、綠色、舒適的汽車(chē)電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車(chē)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(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的使用來(lái)減輕車(chē)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(lái)舒適的駕駛體驗(yàn)。

“以上這些需求將主要具體涉及到汽車(chē)電子的四個(gè)方面：車(chē)身電子、車(chē)身儀表盤(pán)、圖像多媒體、底盤(pán)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(chē)提供一攬子解決方案，基本上涵蓋一輛EV/HEV全部整車(chē)的電子系統(tǒng)。從集成內(nèi)部RDC的MB91580系列專(zhuān)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(xiàn)的低成本MB96F613設(shè)計(jì)的BMS方案和DC-DC轉(zhuǎn)換器，到多路CAN總線(xiàn)MCU FR81S開(kāi)發(fā)的整車(chē)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(duì)客戶(hù)來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)非常方便而且便宜。

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(duì)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(zhuān)門(mén)面向新能源汽車(chē)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(shí)間，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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(jì)大大簡(jiǎn)化！

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和插電混合動(dòng)力汽車(chē)，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(shí)候直接從寄存器中讀出絕對(duì)角度值、sin和cos值。這樣就可極大簡(jiǎn)化硬件電路，軟件設(shè)計(jì)工作也得到簡(jiǎn)化。

“如果將RDC單獨(dú)放在外面，整個(gè)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(chē)電機(jī)控制MCU產(chǎn)品會(huì)集成兩個(gè)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(shí)間達(dá)40%！

如下圖5所示，通過(guò)高性能CPU縮短電機(jī)的控制時(shí)間之前有三個(gè)做法，需要1-9步的處理流程，比如PIC的計(jì)算等變換的處理。把這些處理全部集成到芯片里，通過(guò)硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在通過(guò)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(shí)間25微秒，現(xiàn)在處理的時(shí)間可以控制在12微秒，可以縮短馬達(dá)控制時(shí)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(shí)間40%。

丁潔早介紹說(shuō)，針對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)控制的MB91580系列共包含9個(gè)產(chǎn)品信號(hào)，提供從64管腳到100管腳還有144管腳的多種選擇。開(kāi)發(fā)這么多款型是為了滿(mǎn)足不同區(qū)域客戶(hù)的要求，歐美的客戶(hù)可能選擇144個(gè)管腳，中國(guó)的客戶(hù)就選擇100管腳，有一些印度的客戶(hù)也可能選擇100個(gè)管腳，可滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)成本的市場(chǎng)需求。

圖6：MB91580 產(chǎn)品系列（9個(gè)產(chǎn)品，64管腳-144管腳）。

通用處理器在BMS和整車(chē)控制中大顯身手

新能源汽車(chē)整個(gè)控制方案，除了電機(jī)控制，還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車(chē)控制單元。這些都不需要專(zhuān)門(mén)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(chǎng)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(jiǎn)的版本，可將有些功能精簡(jiǎn)下來(lái)，降低成本，符合汽車(chē)平臺(tái)化趨勢(shì)。

“客戶(hù)不管是選擇簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，還是復(fù)雜的設(shè)計(jì)，我們都有不同的型號(hào)來(lái)滿(mǎn)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(chē)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(gè)電池單元都要有一個(gè)MCU控制，大概需要幾十個(gè)MCU，如果把MCU成本降低，同時(shí)又不犧牲性能和質(zhì)量，這樣相當(dāng)于把整個(gè)新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)向前推進(jìn)了一步。

不過(guò)。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(kāi)發(fā)套件，都是采用USB調(diào)試連接。“這就有一個(gè)好處，當(dāng)設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向高性能的時(shí)候，工具采購(gòu)的投入，一套就可以完成。富士通的開(kāi)發(fā)工具成本低于150美元，不到1000元人民幣。一千塊錢(qián)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(chēng)。

富士通半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了如圖7所示的一系列電動(dòng)車(chē)電池管理系統(tǒng)參考方案，客戶(hù)針對(duì)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(chē)電池管理系統(tǒng)參考方案。

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

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