引言

最近，汽車電氣化趨勢(shì)加速了全球正在進(jìn)行的向碳中和的轉(zhuǎn)變。xEV車輛的普及率與更嚴(yán)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(gè)地區(qū)都在爭(zhēng)取更嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)正在緊隨其后。作為另一個(gè)影響因素，美國(guó)在現(xiàn)任新政府領(lǐng)導(dǎo)下被期望更嚴(yán)格的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，這可能導(dǎo)致尤其是混合動(dòng)力汽車的復(fù)蘇增長(zhǎng)，因?yàn)檫@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(dòng)力汽車（48V系統(tǒng)）雖然有助于達(dá)到新的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，但從OEM的角度來看，還不足以避免因不符合各自國(guó)家的CO排放法規(guī)而產(chǎn)生罰款。

圖1：每個(gè)國(guó)家/地區(qū)的溫室氣體法規(guī) （來源：ICCT， 2020）

隨著溫室氣體趨勢(shì)的加速，全球xEV市場(chǎng)可能進(jìn)入漫長(zhǎng)的擴(kuò)張時(shí)期，電池成本也將下降。從2025年開始，更加嚴(yán)格的限制（燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)/BEV銷售法規(guī)）在各個(gè)國(guó)家將導(dǎo)致xEV的需求增長(zhǎng)。隨后隨著核心技術(shù)（包括電池）的價(jià)格逐漸降低，從2025年開始向獨(dú)立增長(zhǎng)模式過渡。

圖2：全球輕型車 xEV 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)（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(dòng)）的角度來看，具有更高的復(fù)雜性，此外，由于ICE和電驅(qū)動(dòng)器功能的組合/添加的原因，它們對(duì)應(yīng)用程序組件的空間限制更為敏感。這不僅適用于機(jī)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(fù)雜性來自以下上層功能：在車輛減速時(shí)，動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的FHEV意味著高發(fā)電機(jī)容量，因此在減速期間可以回收（或恢復(fù)）更多的動(dòng)能，從而使燃油效率提高百分之幾十。

HEV 控制： 復(fù)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(jiǎn)單的是并聯(lián)混合系統(tǒng) （Parallel hybrid system）。電機(jī)與ICE并聯(lián)放置。電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)來對(duì)電池進(jìn)行充電。該系統(tǒng)的好處是成本更低，控制復(fù)雜度更低。

在串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)（Series Hybrid system）的情況下，由ICE產(chǎn)生的動(dòng)能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，然后該電能被另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)再次用于產(chǎn)生動(dòng)能。這看起來似乎在浪費(fèi)成本和能量。但是，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，它可以在最省油的速度/扭矩范圍內(nèi)運(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)（Series/Parallel hybrid system）是最復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)ICE在節(jié)油的速度/扭矩范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)可以協(xié)助加速，而ICE可以像并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)一樣節(jié)省燃料。當(dāng)車速非常慢時(shí)，離合器會(huì)松開，這時(shí)系統(tǒng)的作用類似于串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，以避免在低燃油效率范圍內(nèi)運(yùn)行ICE。

在串聯(lián)和串聯(lián)/并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)配置的情況下，通常需要一個(gè)嚴(yán)格且相互依賴地控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)概念來看，很明顯，由于兩個(gè)實(shí)體之間的通信負(fù)荷很大，并且要加大診斷的力度去維護(hù)目標(biāo)安全級(jí)別（ASIL-level），尤其是在串聯(lián)/并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的情況下，各自的控制和同步工作趨向于復(fù)雜。

優(yōu)化這些工作的一個(gè)顯而易見的解決方案是將兩個(gè)逆變器控制系統(tǒng)集成到一個(gè)ECU中，由一個(gè)高度專業(yè)化的微控制器（MCU）進(jìn)行操作。 通過使用這種概念，可以在一個(gè)微控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)逆變器控制環(huán)路之間的同步，從而導(dǎo)致高通信帶寬和縮短等待時(shí)間。 此外，通過選擇符合安全級(jí)別ASIL的目標(biāo)設(shè)備，診斷和功能安全概念將變得更加簡(jiǎn)單和直接。 集成解決方案的另一個(gè)好處當(dāng)然是高度優(yōu)化的物料清單（BOM），同時(shí)減少了零件空間需求，這對(duì)于整個(gè)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(xiàng)關(guān)鍵是將電機(jī)控制算法的矢量數(shù)學(xué)計(jì)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(shí)承擔(dān)上述其他軟件任務(wù)。

增強(qiáng)型電機(jī)控制單元（EMU3）

嵌入式“增強(qiáng)型電機(jī)控制單元”（EMU Gen3）是一組單獨(dú)的電機(jī)控制加速器模塊，這些模塊使用矢量控制算法計(jì)算三相PWM比較值，并根據(jù)由A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)得的電機(jī)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(jī)的角度值。 三相電機(jī)計(jì)時(shí)器TSG3使用EMU3的計(jì)算結(jié)果來輸出PWM和矩形波。

圖4：增強(qiáng)型電機(jī)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(dòng)機(jī)控制功能。 因此，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合了硬件加速和各個(gè)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的靈活控制

雙電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)控制

實(shí)現(xiàn)雙電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)控制能力的關(guān)鍵解決方案是基于先前介紹的電動(dòng)機(jī)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(gè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際方法（請(qǐng)參閱附錄中的縮寫定義）：

CPU2和CPU3分別控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。通過使用EMU3，性能密集型電機(jī)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(shí)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(gè)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(dòng)機(jī)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(hào)。

圖6：控制雙電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)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(yàn)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(jī)的逆變器控制功能。 合適的PMICs，柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)/ICE系統(tǒng)組合運(yùn)行的混合動(dòng)力汽車由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，特別需要經(jīng)濟(jì)高效且尺寸優(yōu)化的推進(jìn)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(xué)計(jì)算的硬件加速器功能，可幫助實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化的電子和機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷