新能源汽车大三电之MCU方案浅析

新能源电动汽车的“大三电”通常是指电控（包括电池管理系统BMS、整车控制器/电子控制器VCU、电机控制器MCU等）、驱动三相电机FTM和动力电池RESS/HV，“小三电”则指车载充电机/电池充电机(OBC)、直流/直流转换器(DC/DC转换器)和高压配电盒(PDU)。按电子电气架构EEA，电动汽车主要系统可简单划分为电力驱动系统、能源系统和辅助系统（详见下图1）。

图1、电动汽车的电气控制构架

电机控制器（MCU，Motor Control Unit）由控制模块（也叫控制器Control Module）和功率变换模块（也叫逆变器INV、智能功率模块IPM或智能动力单元IPU）两部分组成。它是电动汽车电机的中央控制枢纽，执行多项重要功能，以确保平稳高效地行驶。它的主要职责是将电池提供的直流电（DC）转换为驱动电机的三相交流电（AC）。它还监控温度、电流和电压等关键参数，以优化电机性能并防止潜在的损坏。它还能根据驾驶员或车辆控制系统的输入控制电机的速度、扭矩和方向。

图2、电机控制器工作示意图

电机控制器主要由控制板、功率模块、驱动板、铜排、母线电容、相电流传感器、三相连接器和安装支架等零部件组成（详见下图3）。

图3、奥迪E-tron电机控制器硬件组成

电机控制器是通过调节电压大小、频率高低、相位变化等参数来控制电机的运转，即通过相应的电力转换来控制电机工作。所谓的电力转换就是直流与交流、电压与频率的转换。电力转换形式有交流→直流转换、直流→交流转换、直流→直流转换和交流→交流转换。电机控制器接收档位开关、加速踏板位置、旋转变压器、制动等信号，经过判断和逻辑运算之后控制电机的正反转以及转速（详见下图4）。

图4、电机控制器工作框架

电机控制器的硬件通常分为控制板和驱动板。控制板以信号采集、旋转变压器解码、模数转换以及CAN通信功能为主，并计算出所需占空比，产生正弦PWM(脉宽调制)信号。控制板主要包括主控芯片、CAN通信芯片、采样电路、旋变电路和电源电路等。

1、主控芯片

控制板的主控芯片以集成DSP的MCU或FPGA为主，电机控制器中常见的芯片品牌有英飞凌、恩智浦、瑞萨、德州仪器、意法半导体、Silicon Mobility、英特尔/阿尔特拉、AMD/赛灵思和紫光同创等。

英飞凌的AURIX系列MCU基于TriCore架构，采用65nm工艺，32bit带宽，具有多个锁步核，最高主频达300MHz，专为高性能和高安全性要求的汽车应用设计。AURIX系列支持多核处理，广泛应用于电动汽车电机控制、自动驾驶、ADAS等高复杂度任务。

恩智浦的S32K系列基于ARM Cortex-M7内核，专为汽车应用设计，提供高性能、高安全性和低功耗的解决方案。S32K系列在电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的电机控制中有广泛应用。

瑞萨的RH850系列，40nm工艺，32bit位宽带锁步核的单核、双核架构，最高主频240MHz，是专为汽车应用设计的高性能微控制器，采用RXv3核心架构，特别适用于电动汽车和混合动力汽车中的电机控制系统。它支持多核冗余设计，符合ISO 26262 ASIL-D级别的功能安全标准，并在性能、集成度及功耗管理方面表现出色；瑞萨的SH72AW/AY是一款用于汽车级电机控制的DSP芯片。工作温度范围为-40°C至125°C，它嵌入了一个特殊的旋转编码器和解码器AU6802。可以实现脉冲定时器的多功能的三个互补的PWM或矩形输出，两个16位定时器，160MHz主频率和RISC(精简指令集)。IO口供电电压为5VDC。

德州仪器的C2000系列，32位控制器，支持高速PWM和高精度的ADC，支持FOC、SVPWM等电机控制算法，提供高效能量转换和精确控制。它具备强大的数字信号处理能力，特别适合需要实时信号处理的电机控制应用。拍明芯城元器件商城www.iczoom.com

意法半导体的Stellar系列MCU专为集成式应用设计，集成ARM Cortex-R52内核的多核架构设计。这一架构使得Stellar能够在单片MCU上整合传统上需要多个独立ECU实现的功能，包括车辆控制单元（VCU）、电驱逆变系统（MCU）、电池管理系统（BMS）以及热管理单元。这样的集成不仅显著提高了系统的紧凑性和效率，还保证了多任务的稳定运行。通过丰富的数据I/O接口，Stellar为各种实时应用的数据交互提供了极大的便利，同时在性能和安全性上也表现出色。

Silicon Mobility的FPCU芯片OLEA T222，内置了一个安全锁互核Cortex-R5F，配置了2MB Flash和16KB SRAM，集成DSP(SPU)，以及FLU(Flexible Logic Unit)集成，实现了实时控制单元的灵活性与标准处理器的软件灵活性结合。可以满足ISO 26262 ASIL-D，AUTOSAR 4.3，AEC-Q100三大标准。

英特尔/阿尔特拉的MAX 10 FPGA或Cyclone V SoC FPGA，Cyclone V增加了ARM Cortex-A9双核硬核处理器子系统。Cortex-A9处理器可提供更强大的计算平台，并结合FPGA逻辑实现先进的诊断功能，如用于安全处理器的Nios II DCLS，或其他定制的低级硬件诊断功能，如看门狗和检查器。可达到ISO 26262汽车安全完整性等级B（ASIL B）或IEC 61508安全完整性等级2（SIL 2）。

AMD/赛灵思的Zynq UltraScale+ MPSoC平台是率先获得包括ISO 26262、IEC 61508、ASIL B等汽车功能安全应用全面认证的自适应SoC器件，同时该平台还结合了基于Arm的高性能多核、多处理系统与ASIC类可编程逻辑，后者包含的定制协处理器可以通过优化满足系统需求，包括用于卷积神经网络（CNN）处理的深度学习处理器单元，可以应用在激光雷达、前置摄像头、ADAS、自动驾驶等领域。

紫光同创的PGL25G-6AFBG256器件采用40nm CMOS工艺和全新LUT5结构，集成RAM、DSP、DDR3等丰富的片上资源和IO接口，最高支持LVDS 1Gbps和DDR3 800Mbps，具备低功耗、低成本和丰富的功能，能够为车载客户提供高可靠性，高性价比的解决方案。

2、CAN通信芯片

汽车网络通信标准有CAN、LIN、FlexRay、MOST、Ethernet、LVDS、Bluetooth、Wi-Fi、DSRC和5G等，CAN（Controller Area Network）总线广泛用于汽车电子控制单元之间（ECU）的通信，是汽车网络通信的重要标准之一。

CAN通信芯片，即CAN收发器芯片，提供电机控制器与外部的交互，常见的芯片有博世的CF160/CF173/CC750/CC770、德州仪器的SN65HVD230、恩智浦的TJA1145/TJA1043/TJA115x、英飞凌的TLT925x/TLE925x/TLE935x、川土微的IF1042、纳芯微的NCA1044-Q1、茂睿芯的MCAN1042、思瑞浦的TPT1145Q、芯力特的SIT1043Q/SIT1044Q等。

3、采样电路

采样电路负责采集电机电流、电压、温度等参数，包括控制器的温度采样、冷却的温度采样、电机的温度采样、IG_ON的检测、HVIL的检测等，以便主控芯片进行实时监测和控制。这里用到了电流传感器、电压传感器和温度传感器，用于监测电机和控制器的工作状态并提供保护和控制。各种传感器品牌有莱姆、迈来芯、罗姆、MPS、德州仪器、泰科、森萨塔、霍尼韦尔、麦歌恩、旭化成微电子、英飞凌、比亚迪半导体、纳芯微、航智等。

4、旋变电路

旋变电路用于解码旋转变压器输出的信号，以获取电机的转速和位置信息。旋变解码芯片能够实时监测汽车底盘各部件的运动状态，如车轮的转角、速度等，为车辆运动控制系统提供关键数据，确保车辆在加速、制动、转向等操作时的稳定性和安全性，对自动驾驶汽车尤为重要，可帮助车辆精准应对复杂路况。旋变解码芯片品牌有德州仪器、亚德诺、芯炽科技、杰瑞等。

5、电源电路

电源电路在电机控制器里主要用于产生各类二级电源，如为主控芯片、相关采样电路、逻辑电路、功率器件驱动电路提供工作电源或参考电平。常见的电源芯片品牌有英飞凌、恩智浦、意法半导体、德州仪器、安森美、罗姆、矽力杰、圣邦、比亚迪半导体等。

驱动板以电源控制、功率调节为主，通过IGBT向驱动电机输送U、V、W三相交流电，包括高压采样和驱动电路等。高压采样电路包括多个高压采样电阻和隔离运放，主要是对母线电流电压，三相电流采样。驱动电路将主控芯片或DSP输出的控制信号，经过隔离芯片将驱动信号带载能力加强，转换为能够驱动IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件的信号，从而实现对电机的驱动。并将故障信号送到主控芯片或DSP，隔离方式主要有磁隔离、容隔离和光电隔离。拍明芯城元器件商城www.iczoom.com

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块是电机控制器的核心部件，负责将直流电转换成三相交流电，并控制电机的转速和转动方向。在车辆减速时，还能回收能量，将三相交流电转换成高压直流电，对动力电池进行充电；超级电容与高压直流母线并联，作用是在电机启动时保持电压稳定，确保电机平稳启动；放电电阻用于在需要时快速放电，保护电路安全；直流高压插接器与UVW插接器：负责高压电路的连接与断开，确保电流和电压的稳定传输。

电机控制器的PCB布局遵循“先大后小、先难后易、分布均匀、重心平衡、布局美观”的原则，即重要单元电路和核心元器件应优先布置。电子元器件的布置必须参照主方框图，主要元器件应按信号流向摆放。电源、驱动芯片和驱动板中的推拉电路是首要放置的主要部件。控制板中的处理器芯片、采样电路、电源电路等最小系统电路应分开放置。同时要考虑电路板的电磁兼容性(EMC)问题。最简单的方法是减小敏感信号的环路面积。控制器板和驱动板的布局如图5所示。

图5、控制器PCB设计布局

以三个实际案例来讲：1、2018款比亚迪元EV360电机控制器采用的是德州仪器的DSP(数字信号处理器)芯片TMS320配合莱迪思的CPLD(复杂可编程逻辑器件)芯片LAMXO256C方案。

图6、比亚迪元EV360电机控制器（图源：海通证券）

2、阿维塔11采用的是华为DriveONE三合一电驱系统，电机控制器是采用的英飞凌的SAL-TC277TP-64F200N（32位AURIX TriCore微控制器），恩智浦的TJA1145TFD（CAN芯片），英飞凌的TLF35584QVVS1（电源管理芯片），恩智浦的MC33GD3100EK（预驱动IC），安森美的NVG450A120L5DSC（IGBT模块）等。

图7、阿维塔的华为DriveONE电机控制器（图源：汽车ECU开发）

3、特斯拉Model 3的电机控制器，采用的是德州仪器的TMS320F28377DPTPQ（主控芯片），英飞凌的TLF35584QVVS2（SBC芯片），意法半导体的STGAP1AS（门级驱动芯片），德州仪器的 SN65HVD1040A（CAN网络芯片），恩智浦的TJA1021（LIN网络芯片），安森美的TCA0372BDW（旋变解码芯片），意法半导体的GK026 (SiC MOSFET)等。

图8、特斯拉Model 3的电机控制器（图源：乾勤）

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审核编辑 黄宇