未來出行時代，用車的方式和場景可能會發(fā)生巨變，例如共享汽車、自動駕駛車隊等新的服務(wù)模式盛行。隨之而來的，車廠的角色也就發(fā)生改變，整個汽車產(chǎn)業(yè)的模式可能都會重塑。伴隨著這種變化的同時，對于汽車電子層面有了新的需求，并且提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

面對未來出行的全新趨勢，近日NXP專門召開發(fā)布會進(jìn)行了深度解讀，并且介紹了其最新的云孿生電池和牽引逆變器解決方案。

未來出行時代，主驅(qū)逆變器的客戶需求

電動汽車主要由電機(jī)、電池和牽引逆變器三大部分組成，如下圖所示，這是典型的牽引逆變器（TractionInverter）的工作原理。

1.VCU向牽引逆變器控制MCU發(fā)送扭矩命令（電機(jī)速度）

2.MCU 執(zhí)行磁場定向控制 (FOC) 算法以向柵極驅(qū)動器發(fā)送控制脈沖 (PWM)

3.隔離式柵極驅(qū)動器驅(qū)動SiC FET 以切換高壓電池直流電，從而為牽引電機(jī)提供多相交流電

4.牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)以移動車輛（加速/減速）

5.MCU 發(fā)送勵磁信號給解析器以確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度

6.旋轉(zhuǎn)變壓器輸出代表電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的模擬（正弦/余弦）信號

7.MCU 執(zhí)行安全軟件解析器功能以確定電機(jī)位置和速度以實現(xiàn)精確控制

據(jù)NXP觀察，隨著未來出行的場景升級，業(yè)界對于主驅(qū)逆變器有著六大發(fā)展趨勢。第一，對性能和效率的要求越來越高，這也包括了提升續(xù)航里程或者是駕駛里程；第二，更高等級的功能安全，有ASIL D最高的安全水平；第三，要求電動車有更高的可靠性和可獲得性，這類需求主要來自未來共享出行、自動駕駛出租車等新的應(yīng)用場景；第四，幫助車廠提高電機(jī)的可擴(kuò)展性，通常一臺入門級的汽車可能只需要一個電機(jī)，中檔的汽車可能需要兩個電機(jī)，高性能的汽車需要三個電機(jī)，而卡車或者是越野車可能就需要四個電機(jī)了，在這個過程中就需要牽引逆變器提供支持；第五，新的區(qū)域車輛架構(gòu)的設(shè)計；第六，對電動車總成本的控制。

為了滿足當(dāng)下和未來的主驅(qū)逆變器的設(shè)計要求，NXP在近日的慕尼黑電子展上推出了最新的S32K39系列MCU。S32K系列推出已有一年多的時間，原先是針對一些通用型的電機(jī)控制，但最新的K39系列則是更多針對牽引電機(jī)的控制。

據(jù)恩智浦半導(dǎo)體車輛控制和網(wǎng)絡(luò)解決方案全球營銷總監(jiān)Brain Carlson介紹，K39的創(chuàng)新之處在于可以一顆MCU實現(xiàn)兩個電機(jī)的控制，而且這兩個電機(jī)都可以在200kHz的環(huán)路下進(jìn)行控制。通常一個典型的MCU只能控制一個逆變器，而且通?？刂骗h(huán)范圍是在50kHz到100kHz。K39系列能夠同時控制兩臺電機(jī)且保持在200KHz的水平上，無論是與NXP前代方案或是和市面上其他的現(xiàn)有方案相比，都實現(xiàn)了極大的性能提升。

S32K39：一顆MCU實現(xiàn)兩個電機(jī)的控制

恩智浦S32K39系列微控制器是集性能、集成、網(wǎng)絡(luò)、信息安全和功能安全于一體，通過時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以太網(wǎng)支持邊緣智能驅(qū)動應(yīng)用，在這個過程中，通過NXP的模擬外設(shè)集成，可以顯著地降低系統(tǒng)成本，并實現(xiàn)ASIL D最高的安全水平。和之前的K37相比，S32K39的主要區(qū)別就在于增加了雙電機(jī)控制協(xié)處理器。

如下圖所示，S32K39搭載4個工作頻率為320 MHz的Arm Cortex-M7內(nèi)核，配置為一個鎖步核和兩個分立核，且通過雙200 kHz控制環(huán)路提高能效，也支持新推出的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)。S32K39同時還可以控制六相電機(jī)，以提高功率密度和容錯性，保持長期高可靠性。用戶可以自主選擇采用兩個三相的電機(jī)或者是單一使用一個六相的電機(jī)兩種不同的配置，這一特性能夠支持汽車廠商電機(jī)擴(kuò)展的需求，實現(xiàn)從一臺電機(jī)到四臺電機(jī)的擴(kuò)展。

此外S32K39支持最高6MB閃存，內(nèi)置DSP可以支持機(jī)器學(xué)習(xí)和ADC數(shù)字濾波，具有NanoEdge高分辨率脈寬調(diào)制（PWM），搭載安全ASIL D軟解碼消除了對外部組件的需要，獲得了極高的安全性。

在開發(fā)層面上，S32K39提供了非常強(qiáng)大的軟件能力，包括一整套對于部件、操作系統(tǒng)中間件、電機(jī)控制、電機(jī)演示功能等的軟件支持，同時有一系列的工具便于在MATLAB上面進(jìn)行演示。此外，NXP也提供了電機(jī)控制應(yīng)用調(diào)整功能（MCAT）、S32設(shè)計工作室（S32DS）、S32配置工具（S32CT）等一整套的軟件的賦能客戶的方案設(shè)計。

高靈活度S32K39，適用各種不同EE架構(gòu)

在系統(tǒng)層面，S32K39可與FS26安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）和具備可調(diào)節(jié)動態(tài)柵極強(qiáng)度控制的先進(jìn)高壓隔離柵極驅(qū)動器GD3162結(jié)合使用，實現(xiàn)安全的逆變器控制系統(tǒng)。GD3162主要是進(jìn)行高低壓的切換，和SiC晶體管一起來實現(xiàn)牽引逆變器的功能。

如下圖所示，在汽車中S32E2和S32K39相互間可以進(jìn)行良好的協(xié)作。在前端S32E2可以對電機(jī)進(jìn)行控制，后端S32K39可以對兩臺電機(jī)進(jìn)行控制。得益于S32E可以實現(xiàn)雙電機(jī)控制的特性，所以雖然只有三個電機(jī)，但仍可以實現(xiàn)四輪驅(qū)動。

當(dāng)前不同客戶的域控設(shè)計并不相同，尚未有一個統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范。而且不同層次的客戶的設(shè)計能力，對于車輛的定位也有所不同，這對于車載MCU的靈活度提出了要求。

S32K39可以適用于三種不同的設(shè)計方案，例如單獨(dú)配置為一個ECU，實現(xiàn)單電機(jī)或雙電機(jī)架構(gòu)?；蛘吆蚐32Z和S32E協(xié)同工作，配置為一個智能執(zhí)行器；S32Z/E相當(dāng)于電動車的大腦，S32K39實現(xiàn)結(jié)點(diǎn)側(cè)的智能驅(qū)動，相互之間通過CAN或者以太網(wǎng)通信。再者，S32K39可以和S32Z/E組成一個ECU中，實現(xiàn)一個配套設(shè)備，兩者之間通過Zipwire總線進(jìn)行通信。

云孿生BMS系統(tǒng)將成為未來汽車的標(biāo)配

如今車輛的連接性又了非常大的提升，很多車輛的眼瞼更新基本都是通過云端進(jìn)行更新的。在云端可以生成這臺車或者整個車隊的數(shù)字孿生。數(shù)字孿生對于新時代的汽車而言，將會成為一種必備的功能趨勢。這一方面是來自O(shè)EM汽車廠商的需求，他們需要了解到車輛乃至車隊的具體信息，進(jìn)行更高的預(yù)測和風(fēng)險管理。另一方面，一些國家政府對于數(shù)據(jù)有著相關(guān)的監(jiān)督要求，在本地、云端存儲的數(shù)據(jù)有著一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如歐盟已經(jīng)有了“電池護(hù)照”的概念，這也是業(yè)界對于未來的電池標(biāo)準(zhǔn)的一個實踐，通過這一標(biāo)準(zhǔn)能夠提高電動車的行駛里程，更好地增強(qiáng)電動車電池的健康狀態(tài)和充電的狀態(tài)，并且最大化電池的回收利用價值。

AI驅(qū)動的云孿生BMS系統(tǒng)，主要由三個部分組成。如下圖所示，電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行電池信息的采集、監(jiān)測、診斷；域推進(jìn)控制器中的計算平臺驅(qū)動整個電動動力總成的能量并進(jìn)行優(yōu)化；云連接中的連接單元向上和云端連接，實現(xiàn)基于云的服務(wù)，同時獲取云端的軟件更新，連接到本地進(jìn)行OTA升級。

電池管理系統(tǒng)中包含電池監(jiān)控單元、電池接線盒和電池監(jiān)控電路三個部分，整個系統(tǒng)中包含控制器，模擬前端、壓力傳感器和高速電池網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵器件。傳感器和模擬前端進(jìn)行高速的電池關(guān)鍵信息采集，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)信息的高度同步，控制器負(fù)責(zé)整個電池監(jiān)控系統(tǒng)的控制工作。

恩智浦半導(dǎo)體電池管理系統(tǒng)總監(jiān)兼部門經(jīng)理Andreas Schlapka表示，BMS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量最終會決定云上數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和所謂精度，同時數(shù)據(jù)的質(zhì)量又取決于上傳數(shù)據(jù)的頻繁性，包括數(shù)據(jù)上傳前在車?yán)飳?shù)據(jù)的管理和預(yù)處理也是一個因素。而NXP的BMS云孿生方案可以將電池的健康狀態(tài)提升12%，延長電池的使用壽命。這樣做可以帶來兩方面的好處，一方面是可以幫助用戶更好地了解到電池的情況，另一方面也會影響到駕駛者對于電池的使用，比如說用戶了解到電池的信息之后，可以自由地選擇快慢充或者一種相對更加省電的駕駛的方式。

NXP云孿生BMS方案：S32G GoldBox+HV-BMS

NXP的云孿生BMS方案由S32G GoldBox和高壓BMS參考設(shè)計兩部分組成，S32G GoldBox提供到云端的連接以及人工智能的驅(qū)動，HV-BMS負(fù)責(zé)電池的信息監(jiān)控和采集，云端的數(shù)字模型方面，NXP與Electra Vehicles合作采用其云端算法進(jìn)行建模和仿真。

如下圖所示，HVBMS就是高壓電池管理系統(tǒng)的參考設(shè)計，其中包含S32K3 MCU，模擬前端N-AFE以及電池的接線盒等。HVBMS的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線（CAN）傳送給S32G GoldBox，它可以通過連接把數(shù)據(jù)傳送到電池的外部。通常這種連接會用于無線的遠(yuǎn)程更新，包括信息的傳送等，但在這時候可以將其用于電池的相關(guān)信息向云端的傳送。

NXP的合作伙伴Electra Vehicles的軟件會在云端生成一個模型，這個模型就是類似于每一臺電池的孿生，會體現(xiàn)每臺電池的情況。如果有一個車隊的話，通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，最后能夠生成一個自適應(yīng)的模型，這個模型可以去做模擬、預(yù)測，提升電池充電的狀態(tài)，延長電池的使用壽命，提升電池使用的安全性，同時還可以增加電池剩余的使用壽命。在這個過程中可以獲得更好的掌控，獲得更加準(zhǔn)確的電機(jī)信息數(shù)據(jù)。

一旦人工智能算法在云端已經(jīng)做好開發(fā)，用戶就可以直接下載到汽車上。用戶的車其實已經(jīng)存在與人工智能的網(wǎng)絡(luò)中，云端的算法下載到車載的MCU控制器之后，用戶就可以在本地去監(jiān)測電池的健康狀態(tài)、充電的狀態(tài)，包括CAN總線充電的情況。因為所有的數(shù)據(jù)都是跟云端連接的，用戶也可以更好地了解到電池在過去一段時間里的使用情況，以及用了多少數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。

Andreas Schlapk，通過對電池的使用壽命的延長，可以實現(xiàn)電動汽車二氧化碳排放的大量減排，整個電動汽車的能效也會更好。

結(jié)語

2022年新能源車銷售500萬輛以上，占比已經(jīng)達(dá)到20%，到2030年將達(dá)到60%。而中國在汽車電氣化的浪潮中，占據(jù)了主導(dǎo)地位。恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)資深市場經(jīng)理余辰杰表示，中國領(lǐng)先的新能源車企有兩個顯著的特點(diǎn)：一是非常注重幾大域控制器的自研，包括智駕、座艙和動力域；二是對電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)比較關(guān)注。

新的汽車電氣化趨勢，給汽車芯片廠商提出了新的挑戰(zhàn)和要求。NXP此次新發(fā)布的牽引逆變器控制器S32K39和云連接BMS方案，不僅可以滿足當(dāng)下的客戶設(shè)計需求，而且也響應(yīng)了未來出行的系統(tǒng)設(shè)計要求。Brain Carlson表示，汽車廠商和半導(dǎo)體廠商已經(jīng)形成了更加緊密、更加高效的合作關(guān)系，這種緊密的合作其實也非常有利于整個汽車行業(yè)的發(fā)展。