工程师说 | 瑞萨电子xEV战略概述

摘要

在本篇文章中，您将了解到电动汽车的发展趋势以及瑞萨提供的解决方案背后的战略。

作者：Shunichi Kaeriyama

VP of Automotive Analog Product Marketing Division

由于最近的二氧化碳排放法规，车辆的电气化正在迅速发展。带有电动动力系统的车辆包括HEV（混合动力车）和BEV（电池电动车），两者统称为xEV。混合动力汽车的动力系统同时使用发动机和电机。混合动力汽车包括FHEV（全混合动力汽车）、MHEV（轻度混合动力汽车）和PHEV（插电式混合动力汽车），它们被称为xHEV。由于xHEV仍然会从发动机排放二氧化碳，因此人们有动力从xHEV转向BEV，因为BEV是一种不排放二氧化碳的纯电动汽车。

xEV系统趋势

随着xHEV向BEV的过渡，系统将发生如上图所示的变化。由发动机、变速器、逆变器和电机组成的复杂牵引系统合并为一个E-Axle，这是一个集成逆变器、电机和减速器的模块。此外，由于BEV有更高的功率效率要求，对高效IGBT和SiC MOSFET的需求正在增加，而BEV除了需要逆变器，还需要DC/DC转换器和车载充电器（OBC），还有一种趋势被称为N-in-1或X-in-1，将DC/DC和OBC集成到E-Axle中。

虽然xHEV的小电池已经足够，但BEV需要一个覆盖整个底盘的大电池。xHEV中的一个小电池只需要很短的布线长度来监控每个电池，但一个大电池需要大量的布线，所以无线电池监测系统（wireless BMS）应运而生。瑞萨也正在开发基于这些趋势的解决方案。

瑞萨用于xEV系统的产品

上图显示了xEV ECU的配置示意图。xEV主要由逆变器、DC/DC转换器、OBC和BMS组成。逆变器、DC/DC转换器和OBC由一个MCU、一个电源管理IC（PMIC）、栅级驱动器、IGBT和SiC MOSFET等功率器件和位置传感器组成；BMS由MCU、PMIC、电池监测IC（BMIC）、IPD和BMS组成。无线BMS还需要BLE等无线收发器。

瑞萨拥有所有这些产品，我们可以预测系统趋势并从系统级别的角度优化我们的解决方案。

逆变器解决方案

BEV需要大量的高性能IGBT和SiC MOSFET。瑞萨正在投资开发新一代的AE5 IGBT，以提高性能。此外，瑞萨还在投资甲府工厂，并将开始批量生产12英寸IGBT。由于E-Axle（电驱集成系统）越来越小，集成度越来越高，价格竞争也越来越激烈，减少BOM是一个重要的课题。瑞萨正在开发一种带有内置反激式电源的栅极驱动单元（GDU），它将大大减少外部BOM，有助于降低BOM成本和实现小型化。我们还提供感应式位置传感器（IPS），可以集成到电机中，是E-Axle的理想选择。与传统的旋转变压器相比，IPS有助于实现更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。对于N-in-1/X-in-1 E-Axle，瑞萨正在开发一种解决方案，用单个MCU控制逆变器、DC/DC转换器和OBC。

瑞萨将使用这些MCU、PMIC、GDU、IGBT和IPS构建一个逆变器系统，并作为一个交钥匙解决方案提供给客户，以帮助客户缩短开发时间和降低开发成本。此外，我们还在开发N-in-1 E-Axle交钥匙解决方案，以应对E-Axles和N-in-1/X-in-1集成的趋势。我们正在用Dyno工作台和演示车在系统级别上验证我们的解决方案。

电池监测系统

瑞萨提供一流的高精度的BMIC（在汽车应用所需的电池电压和温度范围内，测量误差为±2mV或更小）和使用这些BMIC的BMS交钥匙解决方案。交钥匙解决方案有助于缩短客户基于瑞萨产品的开发周期，特别是对新兴国家的客户。对于未来的BMS，我们也在做无线BMS的概念验证（PoC）。我们正在展示每个多芯电池组配备一个无线收发器的解决方案，以及每个电池配备一个无线收发器的解决方案，这是一个终极无线BMS。瑞萨BLE收发器体积小、功耗低和BOM成本低，有助于提高无线BMS的竞争力。

除了硬件开发工作量的减少，软件开发工作量的减少也是一个大问题。瑞萨不仅提供逆变器和BMS所需的软件（C源代码），同时也提供基于模型设计（MBD）的软件开发环境。

瑞萨提供的仿真模型包括1）由MCU软件处理的控制模型，2）模拟和电源产品的模型，3）工厂模型，如电机和电池。客户可以使用瑞萨的模型，也可以在MATLAB中编辑控制器模型，对其进行修改以实现所需。仿真完成后，用户可使用MATLAB的Autocode功能自动生成C代码。MCU的外设、模拟和电源产品部分由瑞萨提供的设备驱动软件取代，并集成到Autocode生成的C代码中。瑞萨将Autocode生成的软件写入逆变器和BMS参考设计中，然后在Dyno Bench或HILS环境中运行，进行系统级验证，再作为参考设计提供。

该解决方案通过以下方式大大提高了客户软件开发的效率：

1）在早期设计阶段实现系统级仿真；

2）消除手工编码的需要；

3）消除编码过程中的人为错误，从而消除调试和回溯的需要。

瑞萨拥有广泛的产品组合，包括MCU、模拟和电源，并通过一站式解决方案提案和技术支持，为缩短客户的开发时间和降低开发成本作出贡献。

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