電機(jī)控制在電動(dòng)汽車（EV）中的使用趨勢(shì)

BLDC 電機(jī)在 EV 中的使用日益增多，因此對(duì)電機(jī)控制 MCU 的需求也隨之增加。下面我們將介紹這一趨勢(shì)的形成原因，以及 Microchip 面向汽車和 EV BLDC 電機(jī)控制的 dsPIC33C 數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。
電動(dòng)汽車元器件市場(chǎng)
近年來，電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)發(fā)展迅猛。 EV 銷量已達(dá) 670 萬(wàn)輛。展望2030 年， EV 銷量有望達(dá)到 4780 萬(wàn)輛，在新乘用車銷量中的占比將達(dá)到 50%左右。2021 年，中國(guó) EV 銷量為 333 萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)在 2022 年將超過 600 萬(wàn)輛。
出于以下幾個(gè)原因，EV 對(duì)電動(dòng)機(jī)的需求高于傳統(tǒng)汽車。EV 需要取代所有皮帶或曲柄/凸輪軸驅(qū)動(dòng)的配件，如泵、壓縮機(jī)和執(zhí)行器。此外，還需要采用能夠適配各種新系統(tǒng)（如電子控制冷卻劑泵）的電機(jī)。雖然可以使用成本較低的有刷直流（BDC）電機(jī)，但無刷直流（BLDC）電機(jī)具有對(duì) EV 特別重要的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：
能源效率更高
使用正弦波控制，運(yùn)行更安靜
可靠性更高，電機(jī)壽命更長(zhǎng)
以汽車電子水泵為例，EV 比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更需要電動(dòng)機(jī)。一輛 EV 需要對(duì)三個(gè)新系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制：高壓電池組、牽引電機(jī)和牽引電機(jī)逆變器電子控制板。每輛 EV 平均需要三個(gè)電子水泵，而電子水泵的成本比傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動(dòng)型機(jī)械泵更高。
電動(dòng)汽車中的冷卻風(fēng)扇
另一個(gè)示例是汽車中的冷卻風(fēng)扇。傳統(tǒng)燃油汽車通常為前置散熱器提供一個(gè)BLDC 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇，但一些發(fā)動(dòng)機(jī)較大的車型會(huì)配備兩個(gè)。EV 多需要配備三個(gè)散熱器風(fēng)扇。雖然沒有發(fā)動(dòng)機(jī)需要冷卻，但這些風(fēng)扇有助于冷卻高壓電池組和牽引電機(jī)逆變器電子控制板。在 EV 熄火后或在為其高壓電池組充電時(shí)，仍然可以聽到這些風(fēng)扇在繼續(xù)運(yùn)行。
在 EV HVAC 系統(tǒng)中，還可以使用額外的 BLDC 電機(jī)。傳統(tǒng)燃油汽車使用發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng) HVAC 壓縮機(jī)，但 EV 需要使用電動(dòng)機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。HVAC 系統(tǒng)還需要使用由 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)流動(dòng)。
電動(dòng)汽車中的熱泵
此外，大多數(shù)現(xiàn)代電動(dòng)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)都支持熱泵的功能（增加一臺(tái) BLDC 電機(jī)），一些 EV 也配備一個(gè)熱泵。熱泵系統(tǒng)包含電磁膨脹閥和用于熱交換的制冷劑管道，其工作原理與空調(diào)的反向模式類似。熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，工作效率可以達(dá)到阻性元件正溫度系數(shù)（PTC）加熱器的 3 到 4 倍。然而，熱泵僅在溫度高于-20°C 的環(huán)境下表現(xiàn)良好。
PTC 加熱器也常用于 EV 駕駛室加熱，在任何溫度下都能正常工作。雖然在將電能轉(zhuǎn)化為熱能方面，PTC 加熱器的效率幾乎是百分之百，但其的缺點(diǎn)是會(huì)消耗大量的電量。在寒冷的環(huán)境中，使用 PTC 加熱器會(huì)更加耗電，EV 需要更加頻繁地給電池充電，而且每次充滿電后的行駛里程也會(huì)大幅縮減。
熱管理系統(tǒng)（TMS）是 EV 的新趨勢(shì)。TMS 可以合并和協(xié)調(diào) HVAC 系統(tǒng)（包括加熱和冷卻壓縮機(jī)、空氣循環(huán)風(fēng)扇、膨脹閥和執(zhí)行器）的控制與高壓電池組和牽引電機(jī)逆變器板的溫度控制（包括熱回收和再利用）。TMS 可以顯著提高 EV 的整體功能，其市場(chǎng)潛力非?？捎^。這種復(fù)雜的控制系統(tǒng)還需要符合 ISO26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)和AUTOSAR?規(guī)范的要求。
總之，BLDC 電機(jī)在 EV 中的使用日益普遍，因此對(duì)電機(jī)控制 MCU 的需求也不斷增加。眾所周知，EV 對(duì)半導(dǎo)體的要求非常高，其中包括電機(jī)控制 MCU。以下是一些基本要求：
高 CPU 時(shí)鐘頻率
電機(jī)控制專用外設(shè)
AEC Q100 0 級(jí)（-40°C 至+150°C）
?符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)和 AUTOSAR 規(guī)范的要求
面向電機(jī)控制的 dsPIC33CK 數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）
Microchip 的 dsPIC33CK 數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)。它們具有獨(dú)特的混合內(nèi)核（MCU 和 DSP 元件），支持高效的 DSP 指令執(zhí)行，而無需承擔(dān)DSP 芯片的高成本。DSC 集成了內(nèi)部高精度 RC 振蕩器和許多高性能模擬外設(shè)，包括具有 10.5 ENOB 的 12 位 ADC（3.5 Msps）、快速的 15 ns 模擬比較器以及用于參考電壓和高精度運(yùn)算放大器的 12 位 DAC。這些外設(shè)可減少客戶電機(jī)控制板上的外部元件，從而節(jié)省空間和成本。
dsPICDSC 的工作溫度范圍寬達(dá)-40°C 至+150°C。此外，其獲得了 AEC Q-100 0級(jí)汽車，因此非常適用于汽車和工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用。其設(shè)計(jì)中包含許多安全特性，如 DMT、WWDT 和閃存 OTP 等，可提高功能安全性。結(jié)合 Microchip 的功能安全手冊(cè)、FMEDA 和動(dòng)態(tài)診斷代碼，dsPIC33CK DSC 可以幫助客戶簡(jiǎn)化獲得 ISO26262 功能安全的過程。
此外，Microchip 還提供十分全面的電機(jī)控制硬件開發(fā)工具和軟件算法支持生態(tài)系統(tǒng)。例如，借助名為 motorBench?開發(fā)套件的軟件圖形用戶界面（GUI），幾分鐘內(nèi)即可使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法啟動(dòng)和運(yùn)行 BLDC 電機(jī)。另一款工具名為 X2C-Scope，這是一個(gè)電子示波器，可十分方便地在 PC 上調(diào)試電機(jī)操作或任何應(yīng)用程序代碼。
面向電機(jī)控制的 dsPIC33CH 雙核 DSC
Microchip 的 dsPIC33CH 雙核 DSC 非常適合用于將多個(gè) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵和/或冷卻風(fēng)扇的控制裝置合并為一個(gè)控制器，從而節(jié)省成本和空間。這類 DSC 有兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核的運(yùn)行頻率達(dá) 100 MHz，配備的電機(jī)控制外設(shè)能夠滿足兩到三個(gè) BLDC 電機(jī)的需求。