新能源汽车设计的核心技术

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中国汽车行业继续稳坐全球汽车产销量第一的“宝座”，但随之而来的却是一连串的社会问题：原油对外依存度超过50%的国际公认安全警戒线;汽车尾气占城市废气超过65%…..新能源汽车为全球解决传统能源汽车带来的环境问题和能源问题提供了最佳的机会，成为全球持续关注的热点。在近日举行的中国(重庆)汽车电子高峰论坛上，基于新能源汽车的电子设计也成为热点话题。

“其实，除了不一样的驱动方式，新能源汽车与传统汽车并无本质的区别，更佳的驾驶与乘坐体验和更高安全性依然是汽车设计的主要挑战。”富士通半导体(上海)有限公司市场总监王钰指出，“在舒适性和安全性上，视频技术获得越来越广泛的应用，而电机作为新能源汽车的核心部件，高效率、高性能的控制技术是实现舒适性和安全性的重要保障。”在本届论坛上，富士通向中国汽车电子厂商和整车厂商展示了解决新能源汽车设计挑战的领先汽车电子系统解决方案。

　　电机控制是新能源汽车的关键

变频概念近年来成为包括空调、洗衣机、电冰箱等家电产品的绝对热点，其中的关键即是电机的控制技术。而作为新能源汽车的核心部件，电动汽车电机控制要求更高——电机的平稳运转、快速启动和制动以及电机效率背后都涉及到电机控制的关键技术，将直接关系到电能利用效率、整车性能、驾驶体验以及车辆行驶安全。

作为传统消费和工业电机控制方案的全球主要供应商，富士通在新能源汽车电机控制上也走在了前列，其32位电机控制MCU MB91F267NA已经取得不少成功应用。日前，富士通再次针对新能源汽车对电机控制的独特需求，发布了3款电动汽车电机控制MCU MB91580系列。作为高性能32位闪存嵌入微控制器(MCU)的FR家族成员，该系列产品可广泛应用于电动汽车和混合动力汽车的电机控制。该系列节能汽车驱动电机控制芯片拥有专用嵌入旋转变压器感应器接口，能够开拓性地控制电动汽车和混合动力汽车中使用的三相电机。


图1：电机控制MCU发展路线图

随着新能源汽车技术逐渐成熟，电机控制系统面临越来越高的要求：用于无传感器矢量控制的复杂算法和高级建模需要出色的处理能力;需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的综合优势。MB91580系列就内置可适用于电动及混合汽车电机控制的CPU内核和外设功能，值得一提的是旋转变压器感应器内置了专用接口电路，可降低系统成本，并通过实现驱动电机必须的高转矩响应控制过程达到改善电机运行和降低能耗的目的。

高效率、低成本地实现高转矩汽车电机的控制过程极具挑战性。MB91580系列通过集成关键外设功能实现了降低系统成本、高速反馈控制，达到改善电机运行和低能耗的目的。MB91580集成的主要功能特性还包括：具有高精度检测电流和电机位置的12位A/D转换器和R/D转换器，R/D转换器检测电角度，与检测三相电流的A/D转换器同步;集成专用计算电路，因此可自动计算内置R/D转换器检测到的电角度的正弦和余弦值。“除了解决方案本身的性能特性外，电机控制相关算法也非常关键。富士通可以提供包括成熟的180度变频控制在内的各种核心关键算法，因此在新能源汽车的电机控制领域具有特殊的技术优势。”王钰指出。

高性能电机控制系统通常包括核心伺服功能、运动描述和主机通信功能，对处理器的处理能力提出了很高的要求。而MB91580系列内置高性能CPU内核，集成在160DMIPS高性能CPU内的专用浮点运算单元利用内置外设功能生成的信息处理向量转换和PID控制运算，该特性通过实现进一步快速反馈控制可以改善电机运行和降低能耗。

作为新能源汽车的核心部件。电机控制不仅关系着整车性能还与行车安全息息相关。在富士通的电机控制MCU设计中充分考虑了安全特性，通过6大安全机制来保证系统运行的安全可靠，包括：在系统启动前进行MCU的自我诊断、总线自诊断、RAM的自诊断;程序非法运行时非法输出端口保护;系统运行期间进行总线诊断、RAM错误纠正、闪存错误纠正。据透露，富士通在未来的产品计划中，还将增加核心MCU的冗余设计(例如双核或多核)以实现更强的系统保护。

图2：电机控制MCU融合了六大安全保障特性。

      视频技术提升用户体验和安全特性

知名调研机构iSuppli指出，一线供应商在为汽车开发系统时，必须满足三大关键条件，其中之一是必须支持视频显示和反馈。事实上，近年来汽车电子领域最具吸引力且成长最快的部分为基于显示终端的车载信息娱乐系统以及虚拟仪表系统。这些电子系统需要高性能的视频图像处理能力，要求高速进行大量实时成像数据的复杂处理。“富士通非常重视这块业务市场，目前富士通占有该领域全球领先的市场份额。”王钰指出。

在本届汽车电子峰会上，富士通公司重点展示了基于领先视频处理技术的三维全景系统，吸引了与会专业人士的极大兴趣。这种基于MB86R11“Emerald-L”2D/3D图像SoC的全景视频系统支持前后左右四个摄像头进行汽车周边环境的实时全景视频监测。据悉，MB86R11采用了独特的视频处理算法，四个摄像头采集的图像通过芯片进行视频捕捉、3D绘图后，呈现给驾驶员的是LCD上清楚显示的车周全景图像，实现身临其境的视觉效果，使驾驶员在停车、行车、转弯等条件下都能准确进行周边行车条件的判断。由于芯片本身集成了高性能的图形处理和中央处理器、存储器控制器，通过硬件的方式实现实时的四路视频信息处理，避免了一般视频处理芯片进行大量实时视频信息处理时的性能瓶颈。

图3：汽车中视频、图像显示应用。
　　全景视频监控是先进的视频处理技术的一种应用之一，MB86R11还可以支持汽车数字仪表板和导航系统的图像显示，以及在中高端汽车中将大量采用的基于图形芯片的虚拟仪表技术。除MB86R11以外，富士通去年还推出了采用MB91590系列主芯片设计的图形化汽车仪表参考方案，支持GDC强大图形功能和倒车辅助影像显示，同期还针对采用段型液晶显示的仪表板推出了两款MB91570系列产品。

事实上，基于MB86R11实现的全景视频功能不仅仅可以给汽车驾驶带来360度的无障碍视觉效果，强大的视频处理能力还可以实现更多的安全功能。“该方案可以结合智能视频识别技术，实现包括路基识别、分界线识别、各种安全标示识别等主动安全功能。”王钰表示。此外，处理能力超强的视频芯片还可以进行更多的安全应用功能扩展，例如基于指纹识别的防盗功能、影像倒车辅助功能以及行车记录仪，等等。据悉，目前该芯片的汽车全景视觉应用已经可提供完整的参考设计，并实现了包括主动安全功能在内的多种功能开发。紧密合作解决厂商技术困惑

常规汽车电子成本比重为17%，混合动力电子成本在40%左右，而纯电动汽车的电子元器件占整车的成本将增加到60%，电子电路对于整车功能、性能和成本的影响将起决定性作用。“新能源车的电控技术更复杂，整车厂必须进行复杂的功能逻辑开发、算法研究和基于模型的仿真测试，这些对于我们来说都面临挑战，希望方案提供商给予更多的技术支持。”会场一位来自国内某知名汽车厂商的技术研发负责人坦率提出了自己困惑。

事实上，为顺利地将半导体方案运用于产品设计中，半导体公司一般都会提供个各种支持工具。例如，针对车载视频功能开发，富士通公司可以向工程师提供初学者套件、样本程序及方便设计者通过可视化测试显示屏设计的图形设计工具，并提供图形库。“不仅功能和逻辑设计很关键，整车厂商还必须进行大量的现场测试，这也是非常重要的工作。我们给客户提供成熟的参考设计方案并支持基于参考设计的应用开发的同时，还基于现场支持的丰富经验，对客户测试中的问题给予指导，这对于厂商加快产品开发、提高产品性能非常关键。”王钰指出，“特别是新能源汽车的核心电机控制方面，我们拥有一支非常强大的中国本土研发团队专门针对电机控制和驱动技术进行研发，丰富的应用开发经验让我们的产品方案更适合中国本土客户。”

如何降低新能源汽车成本成为汽车行业人士关注的共同话题，而作为占据纯电动车成本60%以上的半导体器件非常关键。“我们已经推出和即将推出的多款方案特别注意了低成本设计，例如我们即将推出的高压MCU产品将集成高压输出，可以直接输出40V、60V或80V高压，使包括门窗、雨刮等电机控制的方案设计更加简单化、低成本。”王钰表示。除了高压MCU，富士通还通过在产品中实现更多的功能集成来降低成本，例如在最新的电机控制MCU中就集成了传感器接口和控制功能，将模拟电路技术与Flash MCU集成，在高压MCU中将集成电池管理功能，等等。