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恩智浦两款新品发布,加速汽车电气化进程

2023-01-06
作者:王洁
来源:电子技术应用

过去三年间,尽管疫情对整个汽车市场造成不小的冲击,中国新能源汽车市场依然增长显著。2022年新能源车销售500万辆以上,占比已经达到20%,预计到2030年将达到60%。2022年1-11月,我国出口新能源汽车100万台,同比增长87%,预计增长还会持续,尤其是在2035年欧洲将淘汰内燃机汽车的前提下。

与此同时,部分消费者对新能源汽车的安全问题和续航里程仍存在质疑,尽管目前新能源汽车标称的续航里程已经高达900km,但随之而来的是成本的上升,而且实际使用里程是否会大打折扣呢?

近日,恩智浦半导体举行电气化解决方案线上媒体沟通会,介绍了针对牵引的电机控制的S32K39系列MCU以及由AI驱动的电动汽车云连接电池管理系统两款新产品。S32K39集性能、集成、网络、信息安全和功能安全于一体,满足电动汽车牵引逆变器控制新需求;由AI驱动的电池管理系统数字孪生云端模型则可提高电动汽车的电池续航里程、能效、安全性和使用寿命,提升电池性能。

S32K39支持新一代电气化应用

此前,恩智浦推出了针对通用性的电机控制S32K3系列MCU,S32K39系列则是针对牵引的电机控制,瞄准现代化的电气化应用,具备两个电机控制协处理器是S32K39系列区别于S32K37系列的一大特点。

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电动汽车牵引逆变器/电机控制概述(图源:恩智浦公司)

“S32K39相当于电动汽车的大脑,控制牵引逆变器,逆变器的作用是将电池中400V-800V的电压转化为机械能,推动电机转动,在这个过程中接收来自于车辆控制单元(VCU)的指令,包括基于踏板的扭矩命令、ADAS高级驾驶辅助系统,以及电子稳定性控制等。同时,MCU在接收信号之后进行相应处理,通过高精度的脉宽调制再到栅极驱动器,对低电压和高电压进行隔离,再通过电磁能推动电机。”恩智浦半导体车辆控制和网络解决方案全球营销总监Brian Carlson如是说道。

汽车电气化的趋势下,如何将功能安全和网络安全进行有机地结合呢?Brain Carlson表示:“多年来,恩智浦一直在自身设备中结合功能安全性和安全性,最新的S32汽车平台将它们提升到了一个新的水平,在整个产品组合中使用ASIL D,并通过嵌入式硬件安全引擎(HSE)支持高级安全性,该引擎提供了汽车处理器中常见的功能。对于必须在同一硅片(SDV)上执行多种功能并依赖更多OTA更新的新车辆来说,它们变得更加重要,这就需要S32处理器提供的更多隔离和高级安全功能。”

Brian Carlson总结了当前市场的6大趋势:一是对性能和效率的要求越来越高,包括提升续航里程的需求;二是更高等级的功能安全;三是要求电动车有更高的可靠性和可获得性,如共享出行,包括自动驾驶出租车等新的应用场景所带来的需求;四是希望可以帮助车厂提供电机的可扩展性。通常一台入门级的汽车可能只需要一个电机,中档汽车可能需要两个,高性能汽车需要三个,而卡车或越野车可能就需要四个,需要牵引逆变器提供支持;五是新的区域车辆架构设计;六是对电动车总成本的控制。

Brian Carlson表示,S32K39的诞生正是为了满足电动汽车市场的新趋势,更好地为当今和未来电动车的需求提供支持。

S32K39搭载4个工作频率为320 MHz的Arm? Cortex?-M7内核,配置为一个锁步核和两个分立核,且通过双200 kHz控制环路提高能效,也支持新推出的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术。同时可控制六相电机,提高功率密度和容错性,保持长期高可靠性,可以选择两个三相电机或单一使用一个六相的电机。还具有NanoEdge?高分辨率脉宽调制(PWM),搭载安全ASIL D软解码消除了对外部组件的需要,获得了很高的安全性。并且能够支持汽车厂商电机扩展的需求,如从低端扩展到高端,也可以支持从一台电机到四台电机的扩展。

S32K39的价值主要在于:提升电动车的驾驶体验,帮助车厂提升行驶里程,获得更高性能和更佳操控;为电动车的创新赋能,如支持SiC/GaN的高频开关、区域架构设计等;支持电动车降低成本,通过模拟集成消除外部组件,优化ASIL D安全系统解决方案等。

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S32K39 MCU框图(图源:恩智浦公司)

上图展示了S32K39 MCU的组成,包括CPU平台,具备分立和锁步核,DSP可以支持机器学习和ADC数字滤波,两个电机控制协处理器,还配有硬件安全引擎,6个CAN FD接口、TSN以太网和多个高级可编程I/O,以及6MB闪存。

在应用层面,S32K39能够应用于电动车的E/E架构中,可以是单或双的电机架构,同时可以与S32Z和S32E协同工作。S32Z/E相当于电动车的大脑,S32K39实现结点侧的智能驱动,两者之间通过CAN或者以太网通信。同时,S32Z/E和S32K39还可以被布置在一个ECU中,通过Zipwire总线进行通信,最终实现高集成度的灵活性,为车厂提供更多选择。

S32K39还提供了非常强大的软件能力,包括一整套对部件、操作系统中间件、电机控制、电机演示功能等的软件支持,还有一系列的工具便于在MATLAB上进行演示。此外,也有电机控制应用调整功能(MCAT)、S32设计工作室(S32DS)、S32配置工具(S32CT)等一整套的软件的赋能。

据悉,该系列计划于2023年第4季度正式投入量产。

提高电池能效,助力碳排放的降低

在电池能量密度的突破很难的情况下,更好的电池管理系统(BMS)成为进一步提升电池性能的关键。

恩智浦半导体电池管理系统总监兼部门经理Andreas Schlapka博士表示,恩智浦之所以非常重视电池管理系统,主要是出于环保的角度。恩智浦的电池管理系统包括模拟前端(AFE)、电池接线盒、通信网关等,可以结合高电压隔离栅极驱动器和电源管理等一起提供服务。

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恩智浦电池管理系统图(图源:恩智浦公司)

在电池管理系统中,包括电池单元的监控电路(包含模拟前端、安全验证、近场射频识别标签)、电池的接线盒MC3377x、电池的监控单元(包括电池网关、可选的软件等),可以了解电池发热、压力、电压和电流等情况,随时监测电池的SOA和SOC状态。这些数据会传送给主控制器,也可以通过一些连接单元提交到云端,通过基础设施架构,在车内实现电池的管理。

恩智浦的高压电池管理系统(HVBMS)可以结合S32G GoldBox一起使用,S32G GoldBox提供到云端的连接以及人工智能的驱动,形成云端的数字孪生。恩智浦与Electra Vehicles进行了合作,利用EVE-Ai? 360度自适应控制技术激发云端数字孪生模型的潜在优势,实现更优物理BMS实时预测和管理,提升电池性能,将电池的健康状态提升12%,并支持多种全新应用,尤其是可以应用于整个电动汽车车队的管理。

通过对电池的使用寿命的延长,可以实现电动汽车二氧化碳的减排,降低碳足迹,提升电动汽车的能效。随着电动汽车市场不断发展,重复利用电池的供应规模也必将扩大。这些电池作为汽车电池已经达到寿命终点,但其剩余容量惊人,高达80%。如果能源存储系统(ESS)中的剩余电池寿命(RUL)能用于家庭,房主的能源开支将有望降低。

对于这种将HVBMS连接到云端并引入AI驱动电池模型的方案,Andreas Schlapka认为未来会成为业界的标准实践:“如今车辆的连接性有了非常大的提升,很多车辆的软件更新基本上都是通过云端或者无线网络而更新的。在云端,可以生成这台车或者是整个车队的数字孪生,这样做的原因一方面是OEM汽车厂商的需求,他们需要了解车辆的情况和问题;另一方面,一些国家和政府对数据有相关的监管要求,如在云端、在本地所存储数据量的要求。欧盟提出了电动车‘电池护照’的概念,我觉得这是业界未来的标准实践,它能提升电动车行驶的里程,可以更好地增强电动车电池的健康状态和充电状态。”

 


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