單芯片TMS域控方案，熱管理應(yīng)用新趨勢(shì)

本文導(dǎo)讀

新能源汽車因驅(qū)動(dòng)原理的不同，從根本上促進(jìn)了整車熱管理系統(tǒng)的升級(jí)變革。立功科技推出全面升級(jí)的熱管理域控制器TMS方案，完美適配新能源車熱管理系統(tǒng)集成度高，控制邏輯復(fù)雜的特點(diǎn)。 熱管理系統(tǒng)在新能源汽車上是至關(guān)重要的一個(gè)組成部分。它們通過各種傳感器、控制模塊和降溫設(shè)備，確保汽車在一個(gè)安全和穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和壽命。

高集成熱管理域控制器的優(yōu)勢(shì)及趨勢(shì)

1.1 趨勢(shì)

高度集成化是熱管理未來發(fā)展核心。通過對(duì)比新能源車代表車型特斯拉Model S到Model Y的熱管理發(fā)展過程，觀察熱管理系統(tǒng)的集成高效化演變。 第一代熱管理系統(tǒng)：電池采用風(fēng)冷或液冷、空調(diào)采用PTC制熱、電驅(qū)系統(tǒng)采用液冷，三個(gè)回路間基本保持并聯(lián)，相互獨(dú)立運(yùn)行；第二代熱管理系統(tǒng)：電池液冷、PTC制熱，電機(jī)電控液冷，開始結(jié)合熱泵技術(shù)，系統(tǒng)間串聯(lián)程度加深，零部件集成化；第三代熱管理系統(tǒng)：熱泵空調(diào)制熱全面取代PTC制熱，應(yīng)用電機(jī)堵轉(zhuǎn)加熱回收技術(shù)，使用更多通斷閥使系統(tǒng)相互串聯(lián)，回路復(fù)雜且進(jìn)一步高度集成。

圖1 汽車熱管理組成框架

1.2 優(yōu)勢(shì)

從熱管理系統(tǒng)的演變過程可以看出熱管理的發(fā)展即是零部件集成化，能量利用高效化的過程。在零部件集成的同時(shí)，集成熱管理域控制器有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 提高系統(tǒng)效率；

2. 降低成本；

3. 小型化；

4. 更高的可靠性；

5. 更好的用戶體驗(yàn)。

熱管理電機(jī)應(yīng)用

熱管理系統(tǒng)升級(jí)背景下，立功科技推出新一代熱管理域控制器方案，完美適配新能源車快速發(fā)展的熱管理系統(tǒng)。立功科技基于NXP汽車級(jí)S32K324雙核高性能通用微控制器，支持多路溫度、PWM控制信號(hào)采集；支持同時(shí)控制三個(gè)三相直流無刷電機(jī)，一個(gè)大功率直流有刷伺服電機(jī)，五個(gè)小功率直流有刷伺服電機(jī)和三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，下面分別介紹各類電機(jī)在熱管理系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

2.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)在熱管理系統(tǒng)中一般用在空調(diào)出風(fēng)口，因空調(diào)出風(fēng)口控制精度要求不嚴(yán)格，故步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制。立功科技Demo在開環(huán)控制中進(jìn)一步優(yōu)化采用控制更加精細(xì)的微步開環(huán)控制。如下圖2所示，微步控制是一種高精度、高分辨率的控制方式，原理是通過打開和關(guān)閉兩個(gè)繞組并逐步改變兩個(gè)繞組的電流比，以基本步距角更精細(xì)的微步距角去旋轉(zhuǎn)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制圖

2.2 直流有刷伺服電機(jī)

汽車自動(dòng)空調(diào)的恒溫、模式等功能都是通過直流有刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，又稱為風(fēng)門電機(jī)。直流有刷伺服電機(jī)具有體積小、可靠性高、技術(shù)發(fā)展成熟維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，在汽車空調(diào)中廣泛采用直流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)空調(diào)風(fēng)門，在空調(diào)中根據(jù)應(yīng)用可分為冷暖風(fēng)門電機(jī)、模式風(fēng)門電機(jī)及內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門電機(jī)三大類。

下圖3是三類電機(jī)的功能圖。冷暖風(fēng)門電機(jī)用于調(diào)節(jié)流過蒸發(fā)器的冷風(fēng)和暖風(fēng)芯體熱風(fēng)的比例，從而調(diào)節(jié)出風(fēng)口溫度；模式風(fēng)門電機(jī)用于切換空調(diào)的出風(fēng)口模式，一般包括吹臉、吹腳、除霜等模式，可根據(jù)用戶使用需求進(jìn)行自動(dòng)切換；內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門電機(jī)用于調(diào)節(jié)汽車空調(diào)的內(nèi)外循環(huán)。



圖3 風(fēng)門電機(jī)功能圖

2.3 直流無刷電機(jī)

直流無刷電機(jī)效率高，控制精細(xì)，壽命長(zhǎng)，噪音小，但控制相對(duì)復(fù)雜，主要應(yīng)用在熱管理系統(tǒng)中的電子水泵、散熱鼓風(fēng)機(jī)、電池水泵、多通閥和更高端車型的電子油泵。 電子水泵可以精確控制每個(gè)散熱回路，讓冷卻液流動(dòng)起來。燃油車是使用發(fā)動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)機(jī)械水泵，而電動(dòng)汽車由于更高級(jí)的冷卻需求和電機(jī)軸轉(zhuǎn)速解耦，因此使用電子水泵，滿足更精確的溫度控制需求。 有些多通閥的閥芯也是由直流無刷電機(jī)帶大減速比的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)回路的切換。水泵是一直旋轉(zhuǎn)，水閥只需要轉(zhuǎn)到指定位置即可停止轉(zhuǎn)動(dòng)。多通閥通常采用位置閉環(huán)來控制。

立功科技Demo支持同時(shí)三個(gè)PWM控制或LIN控制的直流無刷電機(jī)控制，使用磁場(chǎng)定向矢量FOC控制，控制更精確，效率更高。支持完善的故障保護(hù)功能。

立功科技TMS熱管理電機(jī)控制板

立功科技TMS熱管理域控制器方案使用NXP S32K3系列做主控制器，雙核Cortex-M7，主頻高達(dá)160MHZ。支持多路PWM控制，完美滿足熱管理系統(tǒng)中多個(gè)無刷電機(jī)、有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)同時(shí)控制的需求；熱管理系統(tǒng)需要采集多個(gè)位置的溫度信息來形成溫度控制閉環(huán)，S32K3支持多路ADC模擬采集，具有靈活的ADC觸發(fā)配置，非常適合汽車熱管理系統(tǒng)新需求。

立功科技TMS熱管理域控制器方案三個(gè)無刷電機(jī)控制均采用無感FOC速度電流雙閉環(huán)矢量控制，效率高達(dá)95%以上，轉(zhuǎn)矩保持最高的同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)平滑穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載突變有良好的抗干擾性能。

立功科技S32K3多電機(jī)控制方案優(yōu)勢(shì)

圖4系統(tǒng)控制框圖

功能特性：

支持三個(gè)BLDC的無感FOC速度電流雙閉環(huán)控制；

針對(duì)熱管理系統(tǒng)支持多路溫度、電壓電流采集；

支持多路直流有刷電機(jī)有感位置控制；

支持多路步進(jìn)電機(jī)微步控制；

支持多路High Side閥門控制；

完善的保護(hù)功能，過壓欠壓，過流、限流、堵轉(zhuǎn)、過溫、缺相保護(hù)等；

上位機(jī)FreeMASTER已適配，三電機(jī)獨(dú)立配置界面。

優(yōu)勢(shì)亮點(diǎn)：

控制效率高，極大提高熱量的能量利用效率；

器件集成化，極大精簡(jiǎn)電子系統(tǒng)布局；

大幅減少MCU、線束等數(shù)量，降低車輛生產(chǎn)成本；

多個(gè)系統(tǒng)集成，方便系統(tǒng)管理；

響應(yīng)速度快，增強(qiáng)安全性。

多電機(jī)控制視頻

新能源汽車架構(gòu)的革新使得熱管理更為復(fù)雜，新能源汽車上需要同時(shí)兼顧電池壽命和整車穩(wěn)定安全，熱管理的性能優(yōu)劣成為決定電車產(chǎn)品力的關(guān)鍵指標(biāo)。隨著新能源汽車的快速發(fā)展與新技術(shù)的出現(xiàn)，車載熱管理系統(tǒng)正面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。立功科技可提供全新升級(jí)的TMS多電機(jī)控制方案，助力您在熱管理賽道上實(shí)現(xiàn)彎道超車。