引言

最近，汽車電氣化趨勢加速了全球正在進行的向碳中和的轉(zhuǎn)變。xEV車輛的普及率與更嚴格的環(huán)境法規(guī)、核心技術(shù)創(chuàng)新、成本下降相伴而生。

幾乎世界上每個地區(qū)都在爭取更嚴格的環(huán)境法規(guī)，歐洲是其中的佼佼者，而其他地區(qū)的溫室氣體（GHG）標準正在緊隨其后。作為另一個影響因素，美國在現(xiàn)任新政府領(lǐng)導下被期望更嚴格的溫室氣體排放標準，這可能導致尤其是混合動力汽車的復蘇增長，因為這種車輛類別可以作為走向BEV過渡階段中的早期可用解決方案。溫和的混合動力汽車（48V系統(tǒng)）雖然有助于達到新的溫室氣體排放標準，但從OEM的角度來看，還不足以避免因不符合各自國家的CO排放法規(guī)而產(chǎn)生罰款。

圖1：每個國家/地區(qū)的溫室氣體法規(guī) （來源：ICCT， 2020）

隨著溫室氣體趨勢的加速，全球xEV市場可能進入漫長的擴張時期，電池成本也將下降。從2025年開始，更加嚴格的限制（燃油經(jīng)濟性標準/BEV銷售法規(guī)）在各個國家將導致xEV的需求增長。隨后隨著核心技術(shù)（包括電池）的價格逐漸降低，從2025年開始向獨立增長模式過渡。

圖2：全球輕型車 xEV 市場需求預(yù)測（不包括 2/3 輪車、中/重型巴士和卡車等）來源：Strategy Analytics - Automotive Electronics System Demand - April 2021 -

HEV 系統(tǒng)的要求和概念

尤其是，PHEV和FHEV取決于各自的系統(tǒng)概念，從協(xié)作控制策略（ICE和電驅(qū)動）的角度來看，具有更高的復雜性，此外，由于ICE和電驅(qū)動器功能的組合/添加的原因，它們對應(yīng)用程序組件的空間限制更為敏感。這不僅適用于機電組件，而且還適用于電子設(shè)備，例如數(shù)字芯片組，模擬和電源組件。

上述所描述的系統(tǒng)復雜性來自以下上層功能：在車輛減速時，動能通過電動機轉(zhuǎn)換為電能并存儲在電池中。在加速過程中，來自電池的電能用于輔助ICE，從而節(jié)省了燃油消耗。擁有高功率電動機的FHEV意味著高發(fā)電機容量，因此在減速期間可以回收（或恢復）更多的動能，從而使燃油效率提高百分之幾十。

HEV 控制： 復雜性的概念

圖3：HEV 大分類

HEV有幾種混合體系結(jié)構(gòu)，其中圖3描述了大分類。最簡單的是并聯(lián)混合系統(tǒng) （Parallel hybrid system）。電機與ICE并聯(lián)放置。電動機/發(fā)電機通過利用來自電池的電能來輔助加速，并且在減速期間通過將電動機用作發(fā)電機來對電池進行充電。該系統(tǒng)的好處是成本更低，控制復雜度更低。

在串聯(lián)混合動力系統(tǒng)（Series Hybrid system）的情況下，由ICE產(chǎn)生的動能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，然后該電能被另一臺電動機再次用于產(chǎn)生動能。這看起來似乎在浪費成本和能量。但是，這種方法的優(yōu)勢在于，它可以在最省油的速度/扭矩范圍內(nèi)運行ICE。這是由于ICE在低速（例如《1500rpm），或者高速（例如》 4000rpm），還有低扭矩范圍的燃油效率很低。

串聯(lián)/并聯(lián)混合動力系統(tǒng)（Series/Parallel hybrid system）是最復雜的系統(tǒng)。當ICE在節(jié)油的速度/扭矩范圍內(nèi)運行時，ICE的輸出可通過離合器和變速箱直接傳遞至車輪。如果需要扭矩輔助，則電動機可以協(xié)助加速，而ICE可以像并聯(lián)混合動力系統(tǒng)一樣節(jié)省燃料。當車速非常慢時，離合器會松開，這時系統(tǒng)的作用類似于串聯(lián)混合動力系統(tǒng)，以避免在低燃油效率范圍內(nèi)運行ICE。

在串聯(lián)和串聯(lián)/并聯(lián)混合動力系統(tǒng)配置的情況下，通常需要一個嚴格且相互依賴地控制兩個電動機/發(fā)電機裝置的組合。

HEV 控制： 關(guān)鍵挑戰(zhàn)和解決方案

從前面介紹的牽引電機系統(tǒng)概念來看，很明顯，由于兩個實體之間的通信負荷很大，并且要加大診斷的力度去維護目標安全級別（ASIL-level），尤其是在串聯(lián)/并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的情況下，各自的控制和同步工作趨向于復雜。

優(yōu)化這些工作的一個顯而易見的解決方案是將兩個逆變器控制系統(tǒng)集成到一個ECU中，由一個高度專業(yè)化的微控制器（MCU）進行操作。 通過使用這種概念，可以在一個微控制器內(nèi)實現(xiàn)兩個逆變器控制環(huán)路之間的同步，從而導致高通信帶寬和縮短等待時間。 此外，通過選擇符合安全級別ASIL的目標設(shè)備，診斷和功能安全概念將變得更加簡單和直接。 集成解決方案的另一個好處當然是高度優(yōu)化的物料清單（BOM），同時減少了零件空間需求，這對于整個系統(tǒng)概念而言都是非常有益的效果。

解決方案： 具有集成xEV支持功能的MCU

HEV專用MCU的一項關(guān)鍵是將電機控制算法的矢量數(shù)學計算過程分流到專用處理IP上。 通過使用這種方法，MCU可以配備較少數(shù)量的CPU內(nèi)核，同時承擔上述其他軟件任務(wù)。

增強型電機控制單元（EMU3）

嵌入式“增強型電機控制單元”（EMU Gen3）是一組單獨的電機控制加速器模塊，這些模塊使用矢量控制算法計算三相PWM比較值，并根據(jù)由A/D轉(zhuǎn)換器測得的電機電流值生成矩形波模式。 此外，通過執(zhí)行位置傳感器接口功能的集成“解析器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器”（RDC3A）獲得電機的角度值。 三相電機計時器TSG3使用EMU3的計算結(jié)果來輸出PWM和矩形波。

圖4：增強型電機控制單元（EMU3）

EMU3 的IP可以結(jié)合其特定功能塊和用戶特定軟件干預(yù)來行使電動機控制功能。 因此，可以實現(xiàn)結(jié)合了硬件加速和各個用戶軟件的靈活控制概念。

圖5：結(jié)合用戶特定的軟件干預(yù)實現(xiàn)電機的靈活控制

雙電動機/發(fā)電機控制

實現(xiàn)雙電動機/發(fā)電機控制能力的關(guān)鍵解決方案是基于先前介紹的電動機控制IP（“ EMU3”）以及嵌入式位置傳感器接口如何集成到微控制器系統(tǒng)中。

下圖顯示了控制兩個電動機的實際方法（請參閱附錄中的縮寫定義）：

CPU2和CPU3分別控制一臺電動機。通過使用EMU3，性能密集型電機控制算法（例如用于產(chǎn)生PWM模式的Park / Clark變換）的處理已從CPU轉(zhuǎn)移到EMU3。這允許其他重要軟件任務(wù)（例如診斷處理）由CPU執(zhí)行。

CPU1還可用于其他功能：例如，實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器控制作為可選用的集成附加功能，以優(yōu)化整個HEV系統(tǒng)布局。

RDC3A是MCU集成的（與Tamagawa AU6805等效）雙旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口，或更概括地說，是電動機位置傳感器接口，能夠連接到模擬旋轉(zhuǎn)變壓器或電感式位置傳感器信號。

圖6：控制雙電動機/發(fā)電機的系統(tǒng)示例

瑞薩提供的解決方案

在瑞薩（Renesas），40納米微控制器RH850/C1M-Ax作為HEV控制概念已經(jīng)過多年驗證。 該器件以及即將發(fā)布的28nm下一代器件，專注于牽引電機的逆變器控制功能。 合適的PMICs，柵極驅(qū)動器和IGBT器件以及逆變器turnkey解決方案可以極大的減少客戶的研發(fā)工作（見圖7）。

圖7：瑞薩xEV產(chǎn)品組合

總結(jié)

基于電驅(qū)動/ICE系統(tǒng)組合運行的混合動力汽車由于系統(tǒng)復雜性的增加，特別需要經(jīng)濟高效且尺寸優(yōu)化的推進系統(tǒng)。 牽引逆變器專用的高性能微控制器（MCU）帶有專用的用于矢量數(shù)學計算的硬件加速器功能，可幫助實現(xiàn)整體優(yōu)化的電子和機電系統(tǒng)設(shè)計。

審核編輯：郭婷