深入解析汽車MCU的軟件架構

電動汽車（EV）正在成為首選的交通方式，為傳統內燃機汽車提供了一種可持續發展的環保型替代方案。在電動汽車復雜的生態系統中，眾多電子控制單元（ECU）在確保其高效運行方面發揮著至關重要的作用。電機控制單元（MCU）就是這樣一個 ECU，它是電機性能背后的大腦。在這篇綜合文章中，我們將探索電機控制單元的世界，研究它們的功能、組件以及影響汽車 MCU 領域的最新趨勢。

了解電動汽車使用的電機

在深入研究電動汽車電機控制單元的復雜性之前，有必要了解電動汽車常用的各種電機類型。最常見的兩種類型是無刷直流（BLDC）電機和永磁同步（PMS）電機。

無刷直流電機又稱電子換向電機，無需電刷和換向器，從而提高了效率，減少了維護。從本質上講，它的轉子和定子線圈繞組都是永磁體。通過改變電流及其方向，定子產生的磁場以推/拉力驅動轉子。通過改變通過線圈的電流，轉速和扭矩均可改變。另一方面，PMS 電機的轉子中也裝有永磁體，定子中的線圈呈正弦曲線纏繞。雖然控制機制更為復雜，但其功率密度比和整體性能更高。

BLDC 電機和 PMS 電機在市場上占據主導地位，其中 BLDC 電機在三輪車上受到青睞，而 PMS 電機在兩輪/四輪車上受到青睞。此外，在印度這個神秘的市場上，還有一小部分電動汽車采用感應電機。

電機控制單元 (MCU) 的功能和組件

電機控制單元是電動汽車電機的中央控制樞紐，執行多項重要功能，以確保平穩高效地行駛。它的主要職責是將電池提供的直流電（DC）轉換為驅動電機的三相交流電（AC）。

此外，MCU 還監控溫度、電流和電壓等關鍵參數，以優化電機性能并防止潛在的損壞。它還能根據駕駛員或車輛控制系統的輸入控制電機的速度、扭矩和方向。

? ? MCU 架構 - 硬件視角 本節詳細介紹 MCU 架構，MCU 的典型框圖如下： 位于中央的微控制器負責執行復雜的控制算法并管理電機的整體運行。它還提供一個外部數字接口（主要是 CAN），使其能夠與系統中的其他 ECU 通信，并從 VCU 獲取控制信息。柵極驅動器用于控制電源開關，由專用的驅動器控制器外設或 PWM 通道驅動。電力電子裝置可實現直流電和交流電之間的轉換。通常情況下，采用六個 MOSFET 配置來實現這種轉換，并增加數量以滿足電機的電流要求。各種傳感電路提供電機參數反饋，如位置、相電流、溫度等，以實現精確控制。

? 汽車 MCU 的軟件架構

與其他嵌入式系統一樣，電動汽車電機控制單元的軟件架構也采用分層方法。固件由電機控制和通信兩大部分組成。電機控制部分監控來自各種傳感器的輸入，并利用復雜的數學函數驅動相電流。通信部分可實現外部系統的無縫控制，允許用戶進行交互，并可定制電機參數，如速度和扭矩限制，以適應不同的駕駛條件和偏好。 MCU 架構必須符合 ISO26262 等安全標準。此外，它還應該是一種高可靠性設計，能夠有效管理功率耗散，同時不影響性能或用戶體驗。 ? 電機控制單元中的驅動技術 雖然驅動電機有多種方法，如梯形控制和正弦控制，但基于場定向控制（FOC）的驅動技術已得到廣泛應用。

FOC 最初是為交流電機開發的，它通過最大化正交分量來優化電機輸出的扭矩。當來自定子和轉子的磁通相互作用時，就會產生一個矢量形式的力，該矢量有兩個分量--d 和 q。d 分量垂直于轉子軸線，與磁通分量有關，而 q 分量代表扭矩，垂直于 d。雖然這種技術需要更快、更高的處理能力，但 FOC 可提高電機效率、減少能量損失并改善整體系統性能。通過動態調整電機的電流和電壓，基于 FOC 的驅動器可實現更平穩的加速、更高的扭矩輸出和更好的響應速度。

? 汽車 MCU 中的電力電子器件

電力電子器件在汽車 MCU 中發揮著至關重要的作用，可實現電力的轉換和控制。低壓電機（通常低于 100V）采用 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。相比之下，高電壓電機則采用氮化鎵（GaN）功率開關和碳化硅（SiC）/絕緣柵雙極晶體管（IGBT）驅動器。 與傳統的硅基開關相比，氮化鎵功率開關具有開關速度更高、功率損耗更低、熱性能更好等優點。因此，電機控制裝置效率更高，能耗更低，功率密度更大。 另一方面，SiC 和 IGBT 驅動器可提供更高的工作溫度和電壓能力，從而在要求苛刻的電動汽車應用中提高性能和可靠性。這些先進的電力電子技術有助于優化汽車 MCU，提高電動汽車的整體效率和性能。

? ? 利用再生制動提高效率

再生制動是電動汽車的一項重要功能，可使電動汽車的電機控制單元在減速和制動時利用和回收能量。再生制動不是將動能轉化為熱能，而是將其轉換為電能，然后儲存在汽車電池中。這一過程需要復雜的電子設備和軟件機制，以有效利用產生的反向電動勢（EMF）。 通過采用再生制動，電機控制單元可以顯著提高電動汽車的效率和續航能力。這項技術不僅能減少能源浪費，還能提供更平穩、更可控的制動，從而改善整體駕駛體驗。 ?

多電機電動汽車

在追求更高性能和更高效率的驅動下，多電機電動汽車的采用率正在不斷上升。多電機電動汽車具有更好的牽引力控制、更強的穩定性和更高的整體性能。這些車輛利用多個電機驅動單個車輪或子系統，從而實現先進的扭矩矢量分配和對每個車輪的精確控制。 然而，多電機電動汽車的實施需要復雜且成本較高的設計，因為與之相關的電機控制單元必須能夠管理功率分配、扭矩分配以及電機之間的協調。這些控制單元采用先進的算法和通信協議，以確保無縫集成和同步運行。

? 電機控制單元的新趨勢

電動汽車行業在不斷發展，電機控制裝置也在不斷取得重大進步。其中一個新趨勢是開發能夠同時控制多個電機的電機控制裝置。此外，電壓水平也在不斷標準化，越來越多的原始設備制造商開始采用 48 伏電壓。一旦實現標準化，該行業可能會過渡到更高的電壓，以提高效率。向分區架構的轉變預計也會給 MCU 架構及其定位帶來重大變化。在電機方面，兩輪車原始設備制造商正在嘗試電機布局，探索輪轂驅動和中置驅動兩種模式。隨著緊密集成和效率的提高，電力電子設備方面也有了顯著改善。預計這一領域不久將出現令人興奮的發展。

? 結論：為電動汽車設計電機控制單元

隨著電動汽車的普及，電機控制單元在革新電動汽車性能方面的作用變得越來越重要。汽車 MCU 是電動汽車電機的驅動力，可確保最佳性能和效率。隨著MCU架構和技術的不斷進步，未來的電動汽車將更加高效、強大和可持續。安邊憑借其可靠的工程師團隊和豐富的合作伙伴生態系統，能夠以極具吸引力的價值為不同功率類別的電動汽車提供電機控制單元。

審核編輯：黃飛

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