英飛凌新能源汽車熱管理系統(tǒng)低壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案推薦

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，熱管理系統(tǒng)的重要性日益突出。因?yàn)椴煌悴考蛘呶恢玫淖罴压ぷ鳒囟炔灰粯樱珉姍C(jī)，電控，電池，座艙等，所以需要一套系統(tǒng)對(duì)整車的熱量進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)節(jié)，從而提高整車的系統(tǒng)熱效率，進(jìn)而提高續(xù)航里程。如下圖所示，這套系統(tǒng)往往由水泵，冷卻液多通閥和膨脹閥等組成。因?yàn)樗鼈兊奈恢帽容^靠近，所以該系統(tǒng)逐漸從分布式走向集中式。因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車沒(méi)有傳統(tǒng)油車的皮帶輪，所以這些執(zhí)行器往往通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。即使是插電式混動(dòng)汽車，在追求系統(tǒng)高效率的驅(qū)動(dòng)下，廠家往往希望熱管理系統(tǒng)執(zhí)行器與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪解耦，從而進(jìn)行更靈活的調(diào)節(jié)。為此，英飛凌基于豐富的MOTIX?系列產(chǎn)品和MCU家族，可以根據(jù)客戶需求，靈活地提供熱管理系統(tǒng)的低壓執(zhí)行器系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)解決方案。

以控制目標(biāo)為基礎(chǔ)，我們將復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行抽象化，化繁為簡(jiǎn)，可以得到下圖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。一般而言，水泵由三相BLDC驅(qū)動(dòng)，冷卻液多通閥由BDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，膨脹閥由步進(jìn)電機(jī)或者BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)ADC采集溫度傳感器和液位傳感器的信號(hào)。這些執(zhí)行器和傳感器的數(shù)量取決于汽車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)橄到y(tǒng)執(zhí)行器比較多，需要的通信帶寬比較高，所以一般采用CAN通信。

方案一: TRAVEO? T2G + SBC + Driver + Bridge

針對(duì)這些執(zhí)行器和傳感器，基于英飛凌豐富的MOTIX?和MCU家族，我們首先提出第一種解決方案：

驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)需要LDO，MCU，gate driver, amplifier, LIN/CAN transceiver和MOSFET?；诖?，英飛凌推出了針對(duì)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的品牌MOTIX?。其中，最簡(jiǎn)單的driver系列如下圖左一部分所示，有TLE9210x系列和TLE918x系列；將driver和MOSFET集成在一起的bridge系列包含了BTNxxx/IFX007, TLE94xyz, TLE9201 H 橋等；在driver基礎(chǔ)上，將LDO和transceiver集成在一起，成為SBC，例如TLE956x系列；進(jìn)一步集成MCU部分，就形成了MCU系列。 

MCU篇

英飛凌的Traveo? II系列MCU全系內(nèi)置了電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊，以及3個(gè)單元的12-bit的高速SAR ADC模塊，采樣速率可以達(dá)到1Mbps，并且可以用Trigger-Multiplexer配合電機(jī)的控制信號(hào)觸發(fā)ADC在TCPWM的指定位置進(jìn)行采樣。這種方法可以支持對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行同步采樣，非常方便實(shí)現(xiàn)FOC控制算法。在Traveo? II系列的產(chǎn)品中，最少的可以支持12通道的TCPWM（for Motor control），最多可以支持到15通道，加上相同數(shù)量的互補(bǔ)輸出的通道，可以同時(shí)支持4~5個(gè)BLDC電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，而且Traveo? II帶有豐富的通用TCPWM 輸出端口（以CYT2B78為例，含有12ch TCPWM（16-bit）（Motor Control, 63ch TCPMW（16-bit）, 4ch TCPMW（32-bit）），可以支持多路DC電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的控制，非常適合熱管理系統(tǒng)中的多電機(jī)控制應(yīng)用。

另外，Traveo? II 也包含非常豐富的外設(shè)，以評(píng)估板MULTI MOTOR EVALKIT中使用的CYT2B78CADQ0AZE為例，包括6通道的CAN/CAN-FD控制器，7通道的LIN總線控制器，1088KB的Code-flash和96KB的Work-flash以及128KB的SRAM, 采用的是Cortex-M4內(nèi)核，主頻高達(dá)160MHz，而且?guī)в?2-bit的單精度FPU，滿足多電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)CPU性能的要求。

Traveo? II全系列滿足ASIL-B的功能安全要求，并且包含eSHE/HSM的硬件信息加密模塊，支持常用的AES（128-bit blocks, 128/192/256-bit keys）, 3DES（64-bit blocks, 64-bit key）, RSA, ECC, SHA-1/2/3, CRC, TRNG, PRNG, GCM等加密算法，滿足安全啟動(dòng)以及信息安全應(yīng)用的需要。而且Traveo? II的Code Flash支持雙分區(qū)和讀改寫(Read-while-write)操作的特點(diǎn)，支持固件的OTA更新，可以很方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)感升級(jí)以及固件回滾應(yīng)用。

MOTIX? SBC篇

LDO用于給MCU和外部傳感器供電；charge pump + gate driver用于驅(qū)動(dòng)MOSFET，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)；CSA是current sense amplifier，運(yùn)算放大器，用于放大采樣電阻上的電壓，然后輸送給MCU的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除此之外，隨著汽車智能化和電氣化的發(fā)展，控制器越來(lái)越多，CAN的特殊幀喚醒成為越來(lái)越多汽車廠家的選擇?；谶@些需求和英飛凌先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，我們推出了TLE956x系列產(chǎn)品，集成上述提到的這些模塊。除此之外，gate driver采用了可控電流驅(qū)動(dòng)，具備自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)功能，可以在保證EMC性能的前提下，有效降低開(kāi)關(guān)損耗，詳細(xì)的功能說(shuō)明可以參考英飛凌官網(wǎng)的產(chǎn)品手冊(cè)。TLE956x系列也集成了豐富的故障診斷和保護(hù)功能，包括基于Vds壓差的MOSFET短路保護(hù)，開(kāi)路檢測(cè)，供電電壓的過(guò)壓欠壓保護(hù)，基于電流采樣的過(guò)流保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)等。因?yàn)樾酒δ茇S富而且強(qiáng)大，需要通過(guò)寄存器進(jìn)行配置，該操作是通過(guò)SPI通信，考慮到數(shù)據(jù)完整性，我們提供了CRC功能對(duì)SPI數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。除此之外，還設(shè)計(jì)了窗式看門狗，確保芯片邏輯部分的正常工作。對(duì)于驅(qū)動(dòng)三相BLDC電機(jī)，推薦TLE9563，當(dāng)然客戶可以根據(jù)自己的需求，選擇該系列的合適型號(hào)。

MOTIX? Driver篇

上文提到的TLE9563集成了驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相BLDC的gate driver，但熱管理系統(tǒng)往往由多個(gè)BLDC電機(jī)。那么針對(duì)其他的BLDC電機(jī)，我們只需要一套gate driver再加一個(gè)運(yùn)放。為此，英飛凌推出了TLE9185三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。相比TLE9563，它只集成了gate driver, CSA和LDO，相應(yīng)的故障診斷和保護(hù)功能類似，具備復(fù)用性，可以降低用戶的開(kāi)發(fā)難度。

MOTIX? Bridge篇

英飛凌的MOTIX? Bridge家族主要產(chǎn)品如下圖所示，我們根據(jù)電流大小進(jìn)行了分類。熱管理系統(tǒng)的多通閥和膨脹閥的功率比較小，所以我們推薦集成度更高的TLE94xyz系列，它集成了多路半橋。用戶可以根據(jù)通道需求數(shù)量，選擇合適的型號(hào)。

TLE94xyz系列不僅通道數(shù)量多，而且集成了很豐富的故障診斷和保護(hù)功能，包括過(guò)壓/欠壓，過(guò)溫，過(guò)流保護(hù)等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。

Sensor篇

考慮到成本需求，熱管理系統(tǒng)中的水泵往往采用無(wú)傳感器控制，但位置控制的多通閥和膨脹閥往往需要傳感器。英飛凌電機(jī)位置傳感器主要包括霍爾開(kāi)關(guān)和磁阻角度傳感器。

霍爾開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品系列中，我們既為電池供電的設(shè)計(jì)提供了過(guò)壓能力高達(dá)42V，支持32V供電的TLE4961/TLE4968系列；也為EMC工況較好的設(shè)計(jì)提供了高性價(jià)比5V供電的TLE4963系列。用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)需求選擇合適的型號(hào)。

英飛凌還提供了各種基于磁阻效應(yīng)的角度傳感器， GMR, AMR, TMR各種原理的磁阻傳感器均為內(nèi)部生產(chǎn)。我們既提供了計(jì)算完角度直接輸出數(shù)字量信號(hào)的傳感器TLE5012/TLE5014，也提供了sin/cos輸出的模擬量輸出的TLE5x09/TLE5501?？蛻艨梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的產(chǎn)品。

方案二: TRAVEO? T2G + Embedded Power + Bridge

方案一采用一顆中央MCU管理和控制其他driver和bridge，在后期軟件升級(jí)和控制的實(shí)時(shí)性上有很好的優(yōu)勢(shì)，但是后期擴(kuò)展會(huì)稍微麻煩。為此，我們提出第二種熱管理系統(tǒng)低壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)方案，如下圖所示。其中每個(gè)BLDC水泵由一個(gè)TLE987x控制，控制軟件直接運(yùn)行在TLE987x芯片中，且軟件可以復(fù)用，所以如果后期需要增加水泵數(shù)量只需要復(fù)用一份TLE987x驅(qū)動(dòng)硬件即可。

MOTIX? MCU篇

MOTIX? MCU系列屬于SoC (System on Chip) 級(jí)產(chǎn)品，集成了MCU，LDO，gate driver，電流采樣和LIN收發(fā)器等模塊。如下圖所示，TLE984x是針對(duì)車窗，天窗應(yīng)用的繼電器方案；TLE985x集成了H橋gate driver，可以驅(qū)動(dòng)直流有刷或者單相無(wú)刷電機(jī)；TLE987x集成了三相半橋，可以驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)，主要針對(duì)泵和風(fēng)扇類應(yīng)用。

針對(duì)熱管理系統(tǒng)中的水泵驅(qū)動(dòng)，我們推薦TLE987x，其內(nèi)部框圖如下圖所示，采用CM3內(nèi)核，主頻高達(dá)40MHz，F(xiàn)lash高達(dá)256K。

小結(jié)

MOTIX?是專門針對(duì)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片品牌，包含MCU，SBC，Driver和Bridge四種類型的芯片。除此之外，英飛凌還有豐富的高性能MCU家族和Sensor家族。基于如此豐富的產(chǎn)品，英飛凌可以根據(jù)客戶需求，提供系統(tǒng)級(jí)的定制化驅(qū)動(dòng)方案。

多電機(jī)評(píng)估板

寫在最后，想要快速上手這個(gè)熱管理系統(tǒng)控制方案或者多電機(jī)控制方案嗎？那就抓緊申請(qǐng)英飛凌的多電機(jī)控制評(píng)估板吧，如下圖所示。在英飛凌官網(wǎng)搜索MULTI MOTOR EVALKIT即可找到該評(píng)估板主頁(yè)，該網(wǎng)站上有評(píng)估板的詳細(xì)資料和相應(yīng)的軟件。評(píng)估板如下圖所示。

該控制板核心MCU是CYT2B78CADQ0AZE，驅(qū)動(dòng)器件有TLE9563, TLE9185, TLE92104, TLE94112和BTN9970，它可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)BLDC，并為用戶提供18路半橋。用戶可以靈活搭配半橋驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)。其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖所示。