未来出行时代，牵引逆变器和电池管理系统的设计趋势及方案

未来出行时代，用车的方式和场景可能会发生巨变，例如共享汽车、自动驾驶车队等新的服务模式盛行。随之而来的，车厂的角色也就发生改变，整个汽车产业的模式可能都会重塑。伴随着这种变化的同时，对于汽车电子层面有了新的需求，并且提出了更高的标准。

面对未来出行的全新趋势，近日NXP专门召开发布会进行了深度解读，并且介绍了其最新的云孪生电池和牵引逆变器解决方案。

未来出行时代，主驱逆变器的客户需求

电动汽车主要由电机、电池和牵引逆变器三大部分组成，如下图所示，这是典型的牵引逆变器（TractionInverter）的工作原理。

1.VCU向牵引逆变器控制MCU发送扭矩命令（电机速度）

2.MCU 执行磁场定向控制 (FOC) 算法以向栅极驱动器发送控制脉冲 (PWM)

3.隔离式栅极驱动器驱动SiC FET 以切换高压电池直流电，从而为牵引电机提供多相交流电

4.牵引电机旋转以移动车辆（加速/减速）

5.MCU 发送励磁信号给解析器以确定电机旋转的角度

6.旋转变压器输出代表电机转子角位置的模拟（正弦/余弦）信号

7.MCU 执行安全软件解析器功能以确定电机位置和速度以实现精确控制

据NXP观察，随着未来出行的场景升级，业界对于主驱逆变器有着六大发展趋势。第一，对性能和效率的要求越来越高，这也包括了提升续航里程或者是驾驶里程；第二，更高等级的功能安全，有ASIL D最高的安全水平；第三，要求电动车有更高的可靠性和可获得性，这类需求主要来自未来共享出行、自动驾驶出租车等新的应用场景；第四，帮助车厂提高电机的可扩展性，通常一台入门级的汽车可能只需要一个电机，中档的汽车可能需要两个电机，高性能的汽车需要三个电机，而卡车或者是越野车可能就需要四个电机了，在这个过程中就需要牵引逆变器提供支持；第五，新的区域车辆架构的设计；第六，对电动车总成本的控制。

为了满足当下和未来的主驱逆变器的设计要求，NXP在近日的慕尼黑电子展上推出了最新的S32K39系列MCU。S32K系列推出已有一年多的时间，原先是针对一些通用型的电机控制，但最新的K39系列则是更多针对牵引电机的控制。

据恩智浦半导体车辆控制和网络解决方案全球营销总监Brain Carlson介绍，K39的创新之处在于可以一颗MCU实现两个电机的控制，而且这两个电机都可以在200kHz的环路下进行控制。通常一个典型的MCU只能控制一个逆变器，而且通常控制环范围是在50kHz到100kHz。K39系列能够同时控制两台电机且保持在200KHz的水平上，无论是与NXP前代方案或是和市面上其他的现有方案相比，都实现了极大的性能提升。

S32K39：一颗MCU实现两个电机的控制

恩智浦S32K39系列微控制器是集性能、集成、网络、信息安全和功能安全于一体，通过时间敏感网络（TSN）以太网支持边缘智能驱动应用，在这个过程中，通过NXP的模拟外设集成，可以显著地降低系统成本，并实现ASIL D最高的安全水平。和之前的K37相比，S32K39的主要区别就在于增加了双电机控制协处理器。

如下图所示，S32K39搭载4个工作频率为320 MHz的Arm Cortex-M7内核，配置为一个锁步核和两个分立核，且通过双200 kHz控制环路提高能效，也支持新推出的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术。S32K39同时还可以控制六相电机，以提高功率密度和容错性，保持长期高可靠性。用户可以自主选择采用两个三相的电机或者是单一使用一个六相的电机两种不同的配置，这一特性能够支持汽车厂商电机扩展的需求，实现从一台电机到四台电机的扩展。

此外S32K39支持最高6MB闪存，内置DSP可以支持机器学习和ADC数字滤波，具有NanoEdge高分辨率脉宽调制（PWM），搭载安全ASIL D软解码消除了对外部组件的需要，获得了极高的安全性。

在开发层面上，S32K39提供了非常强大的软件能力，包括一整套对于部件、操作系统中间件、电机控制、电机演示功能等的软件支持，同时有一系列的工具便于在MATLAB上面进行演示。此外，NXP也提供了电机控制应用调整功能（MCAT）、S32设计工作室（S32DS）、S32配置工具（S32CT）等一整套的软件的赋能客户的方案设计。

高灵活度S32K39，适用各种不同EE架构

在系统层面，S32K39可与FS26安全系统基础芯片（SBC）和具备可调节动态栅极强度控制的先进高压隔离栅极驱动器GD3162结合使用，实现安全的逆变器控制系统。GD3162主要是进行高低压的切换，和SiC晶体管一起来实现牵引逆变器的功能。

如下图所示，在汽车中S32E2和S32K39相互间可以进行良好的协作。在前端S32E2可以对电机进行控制，后端S32K39可以对两台电机进行控制。得益于S32E可以实现双电机控制的特性，所以虽然只有三个电机，但仍可以实现四轮驱动。

当前不同客户的域控设计并不相同，尚未有一个统一的设计规范。而且不同层次的客户的设计能力，对于车辆的定位也有所不同，这对于车载MCU的灵活度提出了要求。

S32K39可以适用于三种不同的设计方案，例如单独配置为一个ECU，实现单电机或双电机架构。或者和S32Z和S32E协同工作，配置为一个智能执行器；S32Z/E相当于电动车的大脑，S32K39实现结点侧的智能驱动，相互之间通过CAN或者以太网通信。再者，S32K39可以和S32Z/E组成一个ECU中，实现一个配套设备，两者之间通过Zipwire总线进行通信。

云孪生BMS系统将成为未来汽车的标配

如今车辆的连接性又了非常大的提升，很多车辆的眼睑更新基本都是通过云端进行更新的。在云端可以生成这台车或者整个车队的数字孪生。数字孪生对于新时代的汽车而言，将会成为一种必备的功能趋势。这一方面是来自OEM汽车厂商的需求，他们需要了解到车辆乃至车队的具体信息，进行更高的预测和风险管理。另一方面，一些国家政府对于数据有着相关的监督要求，在本地、云端存储的数据有着一定的规范和标准。例如欧盟已经有了“电池护照”的概念，这也是业界对于未来的电池标准的一个实践，通过这一标准能够提高电动车的行驶里程，更好地增强电动车电池的健康状态和充电的状态，并且最大化电池的回收利用价值。

AI驱动的云孪生BMS系统，主要由三个部分组成。如下图所示，电池管理系统负责进行电池信息的采集、监测、诊断；域推进控制器中的计算平台驱动整个电动动力总成的能量并进行优化；云连接中的连接单元向上和云端连接，实现基于云的服务，同时获取云端的软件更新，连接到本地进行OTA升级。

电池管理系统中包含电池监控单元、电池接线盒和电池监控电路三个部分，整个系统中包含控制器，模拟前端、压力传感器和高速电池网关等关键器件。传感器和模拟前端进行高速的电池关键信息采集，网关负责信息的高度同步，控制器负责整个电池监控系统的控制工作。

恩智浦半导体电池管理系统总监兼部门经理Andreas Schlapka表示，BMS系统采集的数据的质量最终会决定云上数字孪生模型的准确性和所谓精度，同时数据的质量又取决于上传数据的频繁性，包括数据上传前在车里对数据的管理和预处理也是一个因素。而NXP的BMS云孪生方案可以将电池的健康状态提升12%，延长电池的使用寿命。这样做可以带来两方面的好处，一方面是可以帮助用户更好地了解到电池的情况，另一方面也会影响到驾驶者对于电池的使用，比如说用户了解到电池的信息之后，可以自由地选择快慢充或者一种相对更加省电的驾驶的方式。

NXP云孪生BMS方案：S32G GoldBox+HV-BMS

NXP的云孪生BMS方案由S32G GoldBox和高压BMS参考设计两部分组成，S32G GoldBox提供到云端的连接以及人工智能的驱动，HV-BMS负责电池的信息监控和采集，云端的数字模型方面，NXP与Electra Vehicles合作采用其云端算法进行建模和仿真。

如下图所示，HVBMS就是高压电池管理系统的参考设计，其中包含S32K3 MCU，模拟前端N-AFE以及电池的接线盒等。HVBMS的数据通过数据总线（CAN）传送给S32G GoldBox，它可以通过连接把数据传送到电池的外部。通常这种连接会用于无线的远程更新，包括信息的传送等，但在这时候可以将其用于电池的相关信息向云端的传送。

NXP的合作伙伴Electra Vehicles的软件会在云端生成一个模型，这个模型就是类似于每一台电池的孪生，会体现每台电池的情况。如果有一个车队的话，通过人工智能和机器学习的算法，最后能够生成一个自适应的模型，这个模型可以去做模拟、预测，提升电池充电的状态，延长电池的使用寿命，提升电池使用的安全性，同时还可以增加电池剩余的使用寿命。在这个过程中可以获得更好的掌控，获得更加准确的电机信息数据。

一旦人工智能算法在云端已经做好开发，用户就可以直接下载到汽车上。用户的车其实已经存在与人工智能的网络中，云端的算法下载到车载的MCU控制器之后，用户就可以在本地去监测电池的健康状态、充电的状态，包括CAN总线充电的情况。因为所有的数据都是跟云端连接的，用户也可以更好地了解到电池在过去一段时间里的使用情况，以及用了多少数据等关键信息。

Andreas Schlapk，通过对电池的使用寿命的延长，可以实现电动汽车二氧化碳排放的大量减排，整个电动汽车的能效也会更好。

结语

2022年新能源车销售500万辆以上，占比已经达到20%，到2030年将达到60%。而中国在汽车电气化的浪潮中，占据了主导地位。恩智浦半导体大中华区资深市场经理余辰杰表示，中国领先的新能源车企有两个显著的特点：一是非常注重几大域控制器的自研，包括智驾、座舱和动力域；二是对电子电气架构的演进比较关注。

新的汽车电气化趋势，给汽车芯片厂商提出了新的挑战和要求。NXP此次新发布的牵引逆变器控制器S32K39和云连接BMS方案，不仅可以满足当下的客户设计需求，而且也响应了未来出行的系统设计要求。Brain Carlson表示，汽车厂商和半导体厂商已经形成了更加紧密、更加高效的合作关系，这种紧密的合作其实也非常有利于整个汽车行业的发展。