富士通：2012 MCU在新能源汽車中的創(chuàng)新應用 - 全文

　　2011年，隨著比亞迪汽車光環(huán)的幻滅，本土純電動新能源汽車產(chǎn)業(yè)曾一度陷入低迷狀態(tài)，飽受爭議。但正像富士通半導體市場部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早最近在深圳一場題為“2012產(chǎn)業(yè)和技術展望”媒體研討會上指出的，“盡管最近幾年新能源汽車受到很多挑戰(zhàn)，包括電池技術瓶頸、汽車成本尚高、基礎設施還不夠完善等，但實際上無論從國家政府層面還是汽車廠商，發(fā)展新能源汽車的愿望是沒有變的，而且依然很迫切，因為能源安全和環(huán)境污染問題刻不容緩?！?/p>

　　新能源汽車所面臨的這些挑戰(zhàn)必將推動半導體廠商、汽車廠商甚至是商業(yè)運營相關方面（如國家電網(wǎng)、中石油、中石化）通過各種技術和商業(yè)手段設法解決，而國家還有地方政府對于新能源的補貼依舊會不斷加大?！坝蛢r日益上調(diào)，特別是中東的局勢，包括敘利亞，伊朗，中東局勢不穩(wěn)定?？梢钥隙?012年突破150美元，甚至是200美元也是非常高概率的事件，從而倒逼市場推出純電動新能源汽車的替代計劃。”丁潔早認為。

　　圖1：富士通半導體市場部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早認為能源危機正倒逼市場推出純電動新能源汽車的替代方案。

　　據(jù)悉，2012年各大汽車廠商都在規(guī)劃更加適合市場需求的入門級新能源汽車產(chǎn)品，政府將會和具體運營公司一起給充/換電站的基礎設施建設安排更多的資金配套和給予政策支持?！白鳛槠嚢雽w的重要供應商，富士通半導體2012年將在新能源汽車市場發(fā)力，包括跟合作伙伴一起合作，使新能源汽車真正從1萬臺發(fā)展到10萬臺甚至到50萬臺，到2016年達到百萬臺的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。” 丁潔早表示。

　　丁潔早在本次媒體研討會上從半導體廠商的角度，重點分享了2012年促進新能源汽車快速發(fā)展的市場動因和MCU在新能源汽車中的創(chuàng)新應用。

　　“插電混動”重返市場熱點

　　丁潔早首先分析了全球新能源汽車發(fā)展的大致格局。2012年，中國預計將會在新能源汽車的車型數(shù)量和充換電站的基礎設施建設上取得領先優(yōu)勢，但是在新一代動力電池和驅動電機控制方面還需要更多創(chuàng)新。美國政府的政策則集中在動力電池的技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，他們的想法是“誰掌握了動力電池技術，誰就占領了電動汽車未來”。歐洲方面將會繼續(xù)把全球優(yōu)秀合作伙伴的技術整合在一起，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合開發(fā)，同時利用發(fā)展中國家的巨大市場潛力和低廉生產(chǎn)成本，來迅速占領市場。日本將會繼續(xù)推動他們在混合動力電動汽車的發(fā)展規(guī)劃，同時推動新能源汽車的全球出口。

　　他強調(diào)，新能源汽車發(fā)展的成敗關系到未來中國國家石油安全，中國重點發(fā)展和補貼純電動（EV）和插電式混合動力汽車（PHEV），純電動汽車將是最終的發(fā)展目標，中短期內(nèi)將以插電式混合動力車作為重點發(fā)展的過渡車型，插電式混合動力汽車，直接由電網(wǎng)充電，電動機為主要動力輸出，發(fā)動機為輔，采用大容量電池，可以靠電力行駛較遠的距離，如果電池耗盡，可以采用發(fā)動機繼續(xù)行駛，解決現(xiàn)實問題。插電式混合動力汽車已經(jīng)成為趨勢，比亞迪、中國一汽、吉利汽車、長城汽車、長安汽車、江淮汽車等都在大力發(fā)展。

　　富士通半導體的一站式汽車系統(tǒng)控制方案

　　無論是傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，安全、綠色、舒適的汽車電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車安全性包括零失效、功能安全和自診斷模塊；環(huán)境友好性指通過車載網(wǎng)絡的使用來減輕車重，從而降低能耗，還包括采用環(huán)保材料和工藝；強大的圖形圖像處理技術，直觀友好的人機界面都為駕駛者帶來舒適的駕駛體驗。

　　“以上這些需求將主要具體涉及到汽車電子的四個方面：車身電子、車身儀表盤、圖像多媒體、底盤電機控制。而富士通半導體將提供一站式系統(tǒng)控制方案?！倍嵲绫硎?。

　　圖2：富士通半導體提供一站式系統(tǒng)控制方案。

　　富士通半導體同樣可為新能源汽車提供一攬子解決方案，基本上涵蓋一輛EV/HEV全部整車的電子系統(tǒng)。從集成內(nèi)部RDC的MB91580系列專用電機控制32位MCU方案，到采用富士通GDC解決方案的圖形化虛擬顯示儀表；從采用CAN總線的低成本MB96F613設計的BMS方案和DC-DC轉換器，到多路CAN總線MCU FR81S開發(fā)的整車控制器。而且這些不同檔次的16位和32位MCU，均采用相同的低成本仿真器和一樣的編譯環(huán)境，這對客戶來說開發(fā)非常方便而且便宜。

　　電機控制MCU創(chuàng)新提升能源效率

　　丁潔早特別分享了富士通半導體針對EV/PHEV的電機控制MCU方案創(chuàng)新，包括：1.改善電機運行；2.降低能源消耗；3.降低系統(tǒng)成本。MB91580 MCU是全球首款專門面向新能源汽車電機控制的高性能MCU，集成了關鍵外設功能如RDC，可縮短電機控制時間，簡化系統(tǒng)設計。

　　圖3：富士通MCU在電機控制方面的創(chuàng)新。

　　圖4：MB91580內(nèi)置RDC：系統(tǒng)設計大大簡化！

　　針對電動汽車和插電混合動力汽車，如圖3所示，現(xiàn)有的系統(tǒng)采用雙芯片：MCU+外部RDC（旋轉變壓器轉換器）的方案，CPU要從外部RDC讀取角度值，然后查表，搜索sin和cos值。而富士通半導體的MB91580方案采用單芯片：MCU集成了RDC，CPU可以任何時候直接從寄存器中讀出絕對角度值、sin和cos值。這樣就可極大簡化硬件電路，軟件設計工作也得到簡化。

　　“如果將RDC單獨放在外面，整個電機控制系統(tǒng)的成本可能占到6、7美元。2013年富士通半導體還將第二代新能源汽車電機控制MCU產(chǎn)品會集成兩個RDC在芯片內(nèi)部，從而達到進一步降低成本的目的。”丁潔早表示。

　　MB91580 縮短馬達控制時間達40%！

　　如下圖5所示，通過高性能CPU縮短電機的控制時間之前有三個做法，需要1-9步的處理流程，比如PIC的計算等變換的處理。把這些處理全部集成到芯片里，通過硬件電路就可以實現(xiàn)?，F(xiàn)在通過MB91580可將流程縮減為一半，5步就可以實現(xiàn)。這樣有什么好處？之前的處理時間25微秒，現(xiàn)在處理的時間可以控制在12微秒，可以縮短馬達控制時間達40%，從而提高電機運行的效率。

　　圖5：MB91580集成的高性能CPU和內(nèi)設Rx I/F可縮短馬達控制時間40%。

　　丁潔早介紹說，針對新能源汽車電機控制的MB91580系列共包含9個產(chǎn)品信號，提供從64管腳到100管腳還有144管腳的多種選擇。開發(fā)這么多款型是為了滿足不同區(qū)域客戶的要求，歐美的客戶可能選擇144個管腳，中國的客戶就選擇100管腳，有一些印度的客戶也可能選擇100個管腳，可滿足不同設計成本的市場需求。

　　圖6：MB91580 產(chǎn)品系列（9個產(chǎn)品，64管腳-144管腳）。

　　通用處理器在BMS和整車控制中大顯身手

　　新能源汽車整個控制方案，除了電機控制，還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車控制單元。這些都不需要專門的控制系統(tǒng)，“低成本、高性能”的通用處理器可迎合這樣的市場需求。富士通半導體推出了通用MCU系列新產(chǎn)品。像16位16FXS系列，它是精簡的版本，可將有些功能精簡下來，降低成本，符合汽車平臺化趨勢。

　　“客戶不管是選擇簡單的設計，還是復雜的設計，我們都有不同的型號來滿足。16位MCU 如16FXS系列比較適合一些低成本的控制應用，像BMS；而32位MCU如FR81S系列就比較適合更復雜的整車控制應用?！倍嵲绫硎?。他闡述道，BMS現(xiàn)在成本很高，因為電池單元非常多，每一個電池單元都要有一個MCU控制，大概需要幾十個MCU，如果把MCU成本降低，同時又不犧牲性能和質量，這樣相當于把整個新能源汽車設計向前推進了一步。

　　不過。富士通的這些32位和16位通用MCU系列采用的是同一套仿真器和開發(fā)套件，都是采用USB調(diào)試連接?！斑@就有一個好處，當設計師轉向高性能的時候，工具采購的投入，一套就可以完成。富士通的開發(fā)工具成本低于150美元，不到1000元人民幣。一千塊錢就可以搞定16位、32位所有整套工具，這是比較合算的?！倍嵲缧ΨQ。

　　富士通半導體還開發(fā)了如圖7所示的一系列電動車電池管理系統(tǒng)參考方案，客戶針對量產(chǎn)還需要進一步定制化和修改。

　　圖7.富士通新能源汽車電池管理系統(tǒng)參考方案。

　　圖8. 新能源汽車各個控制系統(tǒng)之間的集成創(chuàng)新概念。

　　如上圖8，對于新能源汽車應用開發(fā)，包括各個控制系統(tǒng)，富士通還提出一個概念，叫做系統(tǒng)集成的創(chuàng)新，如通過MB91580 MCU可以通過電機控制抑制CPU負載率，因此它可以同時進行BMS電池管理控制和DC-DC控制，這有利于通過系統(tǒng)集成削減整體成本。