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世界上幾乎每個地區(qū)都在爭取更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，歐洲是最好的，其他地區(qū)的溫室氣體（GHG）標(biāo)準(zhǔn)緊隨其后。作為另一個影響因素，在現(xiàn)任新政府的領(lǐng)導(dǎo)下，美國預(yù)計將有更嚴(yán)格的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，這可能導(dǎo)致復(fù)蘇增長，特別是混合動力汽車，因為這類車輛類別可以作為方向BEV早期可用解決方案的過渡階段。溫和的混合動力汽車(48V雖然系統(tǒng)有助于達(dá)到新的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，但從OEM從這個角度來看，不足以避免不符合各自國家的問題CO排放法規(guī)產(chǎn)生罰款。

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圖1:各國/地區(qū)溫室氣體法規(guī) (來源：ICCT, 2020)

隨著溫室氣體趨勢的加快，全球xEV市場可能會進(jìn)入一個漫長的擴(kuò)張期，電池成本也會下降。自2025年以來，更嚴(yán)格的限制(燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)/BEV各國的銷售法規(guī)將導(dǎo)致xEV需求增長。隨著核心技術(shù)(包括電池)價格的逐漸下降，從2025年開始向獨立增長模式過渡。

圖2:全球輕型車xEV市場需求預(yù)測(不包括2/3輪車、中/重型巴士、卡車等。)來源:Strategy Analytics - Automotive Electronics System Demand - April 2021 -

HEV系統(tǒng)的要求和概念

尤其是，PHEV和FHEV從協(xié)作控制策略來看，它取決于各自的系統(tǒng)概念（ICE另外，從和電驅(qū)動的角度來看，復(fù)雜性更高，因為ICE由于電驅(qū)動功能的組合/添加，它們對應(yīng)用程序組件的空間限制更加敏感。這不僅適用于機電組件，也適用于數(shù)字芯片組、模擬和電源組件等電子設(shè)備。

上述系統(tǒng)的復(fù)雜性來自以下上功能：當(dāng)車輛減速時，動能通過電機轉(zhuǎn)換為電能并存儲在電池中。在加速過程中，電池的電能用于輔助ICE，節(jié)省燃油消耗。高功率電機FHEV這意味著高發(fā)電機容量，因此在減速期間可以回收（或恢復(fù)）更多的動能，從而提高燃油效率。

HEV控制：復(fù)雜概念

圖3：HEV 大分類

HEV圖3描述了幾種混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大分類：

最簡單的是并聯(lián)混合系統(tǒng)（Parallel hybrid system）。電機與ICE并聯(lián)放置。電機/發(fā)電機通過使用來自電池的電能來輔助加速，并在減速期間將電機用作發(fā)電機來充電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是成本低，控制復(fù)雜性低。

串聯(lián)混合動力系統(tǒng)（Series Hybrid system）由ICE通過發(fā)電機將產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，然后再用另一臺電機產(chǎn)生動能。它似乎在浪費成本和能量。但這種方法的優(yōu)點是可以在最節(jié)油的速度/扭矩范圍內(nèi)運行ICE。這是由于ICE低速(例如<1500rpm），或高速(例如> 4000rpm），而且低扭矩范圍的燃油效率很低。

混合動力系統(tǒng)串聯(lián)/并聯(lián)（Series/Parallel hybrid system）是最復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)ICE在節(jié)油速度/扭矩范圍內(nèi)運行時，ICE輸出可通過離合器和變速箱直接傳輸?shù)杰囕啞Ｈ绻�需要扭矩輔助，電機可以幫助加速，ICE可節(jié)省燃料，如并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。當(dāng)速度非常慢時，離合器會松開，類似于串聯(lián)混合動力系統(tǒng)，以避免在低燃油效率范圍內(nèi)運行ICE。

當(dāng)串聯(lián)和串聯(lián)/并聯(lián)混合動力系統(tǒng)配置時，通常需要嚴(yán)格和相互依賴地控制兩個電機/發(fā)電機裝置的組合。

HEV控制:關(guān)鍵挑戰(zhàn)和解決方案

從上述牽引電機系統(tǒng)的概念來看，很明顯，由于兩個實體之間的通信負(fù)荷較大，需要加強診斷，以保持目標(biāo)安全水平（ASIL-level），特別是在串聯(lián)/并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的情況下，各自的控制和同步復(fù)雜的。

優(yōu)化這些工作的明顯解決方案是Skyworks代理兩個逆變器控制系統(tǒng)集成到一個ECU高度專業(yè)的微控制器（MCU）進(jìn)行操作。利用這一概念，兩個逆變器控制環(huán)之間的同步可以在一個微控制器中實現(xiàn)，導(dǎo)致高通信帶寬和等待時間縮短。另外，通過選擇符合安全水平的ASIL診斷和功能安全的概念將變得更加簡單和直接。集成解決方案的另一個好處當(dāng)然是高度優(yōu)化的材料清單（BOM），對于整個系統(tǒng)概念來說，減少零件空間的需求是非常有益的。

解決方案：集成xEV支持功能的MCU

HEV專用MCU電機控制算法電機控制算法的矢量數(shù)學(xué)計算過程到特殊處理IP上。用這種方法，MCU可配備少量CPU內(nèi)核，同時承擔(dān)上述其他軟件任務(wù)。

增強電機控制單元（EMU3）

嵌入式增強電機控制單元（EMU Gen3)是一組電機控制加速器模塊，采用矢量控制算法計算三相PWM根據(jù)原因，比較值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器測量的電機電流值產(chǎn)生矩形波模式。此外，解析器到數(shù)字轉(zhuǎn)換器通過執(zhí)行位置傳感器接口功能集成（RDC3A）獲得電機的角度值。三相電機計時器TSG3使用EMU輸出3的計算結(jié)果PWM和矩形波。

圖4：增強電機控制單元（EMU3）

EMU3 的IP電機控制功能可以結(jié)合其特定的功能塊和用戶特定的軟件干預(yù)來行使。因此，結(jié)合硬件加速和各用戶軟件的靈活控制概念。

圖5：結(jié)合用戶特定的軟件干預(yù)，靈活控制電機

控制雙電機/發(fā)電機

基于之前介紹的電機控制，實現(xiàn)雙電機/發(fā)電機控制能力的關(guān)鍵解決方案IP（“EMU3)以及如何將嵌入式位置傳感器接口集成到微控制器系統(tǒng)中。

下圖顯示了控制兩臺電機的實際方法(請參考附錄中的縮寫定義):

CPU2和CPU3分別控制電機。EMU3.性能密集型電機控制算法(例如)PWM模式的Park/Clark處理變換)已從CPU轉(zhuǎn)移到EMU3.允許其他重要軟件任務(wù)(如診斷處理)CPU執(zhí)行。

CPU1也可用于其他功能，如實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器控制作為可選的集成附加功能，優(yōu)化整個功能HEV系統(tǒng)布局。

RDC3A是MCU集成的（與Tamagawa AU6805等效)雙旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口，或者更一般地說，它是電機位置傳感器接口，可以連接到模擬旋轉(zhuǎn)變壓器或電感位置傳感器信號。

圖6:控制雙電機/發(fā)電機的系統(tǒng)示例

瑞薩提供的解決方案

在瑞薩（Renesas），40納米微控制器RH850/C1M-Ax作為HEV控制概念已經(jīng)驗證多年了。該設(shè)備和即將發(fā)布的28nm下一代設(shè)備專注于牽引電機的逆變器控制功能。PMICs，柵極驅(qū)動器和IGBT設(shè)備和逆變器turnkey解決方案可以大大降低客戶的研發(fā)工作(見圖7)。

圖7：瑞薩xEV產(chǎn)品組合

總結(jié)

基于電驅(qū)動/基于電驅(qū)動/ICE由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，系統(tǒng)組合運行的混合動力汽車特別需要經(jīng)濟(jì)高效、尺寸優(yōu)化的推廣系統(tǒng)。牽引逆變器專用高性能微控制器（MCU）電子和機電系統(tǒng)設(shè)計具有專用于矢量數(shù)學(xué)計算的硬件加速器功能，有助于實現(xiàn)整體優(yōu)化。