RH850C1M-Ax MCU解決了在集成式雙牽引逆變器中復雜的控制難題

幾乎世界上每個(gè)地區都在爭取更嚴格的環(huán)境法規，歐洲是其中的佼佼者，而其他地區的溫室氣體（GHG）標準正在緊隨其后。作為另一個(gè)影響因素，美國在現任新政府領(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(dòng)力汽車(chē)的復蘇增長(cháng)，因為這種車(chē)輛類(lèi)別可以作為走向BEV過(guò)渡階段中的早期可用解決方案。溫和的混合動(dòng)力汽車(chē)（48V系統）雖然有助于達到新的溫室氣體排放標準，但從OEM的角度來(lái)看，還不足以避免因不符合各自國家的CO排放法規而產(chǎn)生罰款。

圖1：每個(gè)國家/地區的溫室氣體法規 (來(lái)源：ICCT, 2020)

隨著(zhù)溫室氣體趨勢的加速，全球xEV市場(chǎng)可能進(jìn)入漫長(cháng)的擴張時(shí)期，電池成本也將下降。從2025年開(kāi)始，更加嚴格的限制（燃油經(jīng)濟性標準/BEV銷(xiāo)售法規）在各個(gè)國家將導致xEV的需求增長(cháng)。隨后隨著(zhù)核心技術(shù)（包括電池）的價(jià)格逐漸降低，從2025年開(kāi)始向獨立增長(cháng)模式過(guò)渡。

圖2：全球輕型車(chē)xEV市場(chǎng)需求預測（不包括2/3輪車(chē)、中/重型巴士和卡車(chē)等）來(lái)源：Strategy Analytics - Automotive Electronics System Demand - April 2021 -

HEV系統的要求和概念

尤其是，PHEV和FHEV取決于各自的系統概念，從協(xié)作控制策略（ICE和電驅動(dòng)）的角度來(lái)看，具有更高的復雜性，此外，由于ICE和電驅動(dòng)器功能的組合/添加的原因，它們對應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備，例如數字芯片組，模擬和電源組件。

上述所描述的系統復雜性來(lái)自以下上層功能：在車(chē)輛減速時(shí)，動(dòng)能通過(guò)電動(dòng)機轉換為電能并存儲在電池中。在加速過(guò)程中，來(lái)自電池的電能用于輔助ICE，從而節省了燃油消耗。擁有高功率電動(dòng)機的FHEV意味著(zhù)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(dòng)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(lèi)

HEV有幾種混合體系結構，其中圖3描述了大分類(lèi)：

最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)混合系統（Parallel hybrid system）。電機與ICE并聯(lián)放置。電動(dòng)機/發(fā)電機通過(guò)利用來(lái)自電池的電能來(lái)輔助加速，并且在減速期間通過(guò)將電動(dòng)機用作發(fā)電機來(lái)對電池進(jìn)行充電。該系統的好處是成本更低，控制復雜度更低。

在串聯(lián)混合動(dòng)力系統（Series Hybrid system）的情況下，由ICE產(chǎn)生的動(dòng)能通過(guò)發(fā)電機轉換為電能，然后該電能被另一臺電動(dòng)機再次用于產(chǎn)生動(dòng)能。這看起來(lái)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(dòng)力系統（Series/Parallel hybrid system）是最復雜的系統。當ICE在節油的速度/扭矩范圍內運行時(shí)，ICE的輸出可通過(guò)離合器和變速箱直接傳遞至車(chē)輪。如果需要扭矩輔助，則電動(dòng)機可以協(xié)助加速，而ICE可以像并聯(lián)混合動(dòng)力系統一樣節省燃料。當車(chē)速非常慢時(shí)，離合器會(huì )松開(kāi)，這時(shí)系統的作用類(lèi)似于串聯(lián)混合動(dòng)力系統，以避免在低燃油效率范圍內運行ICE。

在串聯(lián)和串聯(lián)/并聯(lián)混合動(dòng)力系統配置的情況下，通常需要一個(gè)嚴格且相互依賴(lài)地控制兩個(gè)電動(dòng)機/發(fā)電機裝置的組合。

HEV控制：關(guān)鍵挑戰和解決方案

從前面介紹的牽引電機系統概念來(lái)看，很明顯，由于兩個(gè)實(shí)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(dòng)力系統的情況下，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(gè)顯而易見(jiàn)的解決方案是將兩個(gè)逆變器控制系統集成到一個(gè)ECU中，由一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的微控制器（MCU）進(jìn)行操作。通過(guò)使用這種概念，可以在一個(gè)微控制器內實(shí)現兩個(gè)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(shí)間。此外，通過(guò)選擇符合安全級別ASIL的目標設備，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，這對于整個(gè)系統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(zhuān)用MCU的一項關(guān)鍵是將電機控制算法的矢量數學(xué)計算過(guò)程分流到專(zhuān)用處理IP上。通過(guò)使用這種方法，MCU可以配備較少數量的CPU內核，同時(shí)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，并根據由A/D轉換器測得的電機電流值生成矩形波模式。此外，通過(guò)執行位置傳感器接口功能的集成“解析器到數字轉換器”（RDC3A）獲得電機的角度值。三相電機計時(shí)器TSG3使用EMU3的計算結果來(lái)輸出PWM和矩形波。

圖4：增強型電機控制單元（EMU3）

EMU3 的IP可以結合其特定功能塊和用戶(hù)特定軟件干預來(lái)行使電動(dòng)機控制功能。因此，可以實(shí)現結合了硬件加速和各個(gè)用戶(hù)軟件的靈活控制概念。

圖5：結合用戶(hù)特定的軟件干預實(shí)現電機的靈活控制

雙電動(dòng)機/發(fā)電機控制

實(shí)現雙電動(dòng)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(dòng)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中。

下圖顯示了控制兩個(gè)電動(dòng)機的實(shí)際方法（請參閱附錄中的縮寫(xiě)定義）：

CPU2和CPU3分別控制一臺電動(dòng)機。通過(guò)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轉移到EMU3。這允許其他重要軟件任務(wù)（例如診斷處理）由CPU執行。

CPU1還可用于其他功能：例如，實(shí)現DC/DC轉換器控制作為可選用的集成附加功能，以?xún)?yōu)化整個(gè)HEV系統布局。

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

圖6：控制雙電動(dòng)機/發(fā)電機的系統示例

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(guò)多年驗證。該器件以及即將發(fā)布的28nm下一代器件，專(zhuān)注于牽引電機的逆變器控制功能。合適的PMICs，柵極驅動(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(hù)的研發(fā)工作（見(jiàn)圖7）。

圖7：瑞薩xEV產(chǎn)品組合

總結

基于電驅動(dòng)/ICE系統組合運行的混合動(dòng)力汽車(chē)由于系統復雜性的增加，特別需要經(jīng)濟高效且尺寸優(yōu)化的推進(jìn)系統。牽引逆變器專(zhuān)用的高性能微控制器（MCU）帶有專(zhuān)用的用于矢量數學(xué)計算的硬件加速器功能，可幫助實(shí)現整體優(yōu)化的電子和機電系統設計。