电机控制在电动汽车（EV）中的使用趋势

作者：Microchip Technology Inc. Helen Jin/Patrick Heath

BLDC 电机在 EV 中的使用日益增多，因此对电机控制 MCU 的需求也随之增加。下面我们将介绍这一趋势的形成原因，以及 Microchip 面向汽车和 EV BLDC 电机控制的 dsPIC33C 数字信号控制器（DSC）。

电动汽车元器件市场

近年来，电动汽车（EV）行业发展迅猛。全球 EV 销量已达 670 万辆。展望2030 年，全球 EV 销量有望达到 4780 万辆，在新乘用车销量中的占比将达到 50%左右。2021 年，中国 EV 销量为 333 万辆，预计在 2022 年将超过 600 万辆。

出于以下几个原因，EV 对电动机的需求高于传统汽车。EV 需要取代所有皮带或曲柄/凸轮轴驱动的配件，如泵、压缩机和执行器。此外，还需要采用能够适配各种新系统（如电子控制冷却剂泵）的电机。虽然可以使用成本较低的有刷直流（BDC）电机，但无刷直流（BLDC）电机具有对 EV 特别重要的关键优势：

• 能源效率更高
• 使用正弦波控制，运行更安静
• 可靠性更高，电机寿命更长

以汽车电子水泵为例，EV 比传统内燃机汽车更需要电动机。一辆 EV 需要对三个新系统进行温度控制：高压电池组、牵引电机和牵引电机逆变器电子控制板。每辆 EV 平均需要三个电子水泵，而电子水泵的成本比传统的皮带驱动型机械泵更高。

电动汽车中的冷却风扇

另一个示例是汽车中的冷却风扇。传统燃油汽车通常为前置散热器提供一个BLDC 发动机冷却风扇，但一些发动机较大的车型会配备两个。EV 最多需要配备三个散热器风扇。虽然没有发动机需要冷却，但这些风扇有助于冷却高压电池组和牵引电机逆变器电子控制板。在 EV 熄火后或在为其高压电池组充电时，仍然可以听到这些风扇在继续运行。

在 EV HVAC 系统中，还可以使用额外的 BLDC 电机。传统燃油汽车使用发动机皮带驱动 HVAC 压缩机，但 EV 需要使用电动机来直接驱动压缩机。HVAC 系统还需要使用由 BLDC 电机驱动的风扇来实现空气循环流动。

电动汽车中的热泵

此外，大多数现代电动压缩机的结构都支持热泵的功能（增加一台 BLDC 电机），一些 EV 也配备一个热泵。热泵系统包含电磁膨胀阀和用于热交换的制冷剂管道，其工作原理与空调的反向模式类似。热泵系统的优点是，工作效率可以达到阻性元件正温度系数（PTC）加热器的 3 到 4 倍。然而，热泵仅在温度高于-20°C 的环境下表现良好。

PTC 加热器也常用于 EV 驾驶室加热，在任何温度下都能正常工作。虽然在将电能转化为热能方面，PTC 加热器的效率几乎是百分之百，但其最大的缺点是会消耗大量的电量。在寒冷的环境中，使用 PTC 加热器会更加耗电，EV 需要更加频繁地给电池充电，而且每次充满电后的行驶里程也会大幅缩减。

热管理系统（TMS）是 EV 的新趋势。TMS 可以合并和协调 HVAC 系统（包括加热和冷却压缩机、空气循环风扇、膨胀阀和执行器）的控制与高压电池组和牵引电机逆变器板的温度控制（包括热回收和再利用）。TMS 可以显著提高 EV 的整体功能，其市场潜力非常可观。这种复杂的控制系统还需要符合 ISO26262 功能安全标准和AUTOSAR®规范的要求。

总之，BLDC 电机在 EV 中的使用日益普遍，因此对电机控制 MCU 的需求也不断增加。众所周知，EV 对半导体的要求非常高，其中包括电机控制 MCU。以下是一些基本要求：

• 高 CPU 时钟频率
• 电机控制专用外设
• AEC Q100 0 级认证（-40°C 至+150°C）
• 符合功能安全标准和 AUTOSAR 规范的要求

面向电机控制的 dsPIC33CK 数字信号控制器（DSC）

Microchip 的 dsPIC33CK 数字信号控制器（DSC）专为电机控制而设计。它们具有独特的混合内核（MCU 和 DSP 元件），支持高效的 DSP 指令执行，而无需承担DSP 芯片的高成本。DSC 集成了内部高精度 RC 振荡器和许多高性能模拟外设，包括具有 10.5 ENOB 的 12 位 ADC（3.5 Msps）、快速的 15 ns 模拟比较器以及用于参考电压和高精度运算放大器的 12 位 DAC。这些外设可减少客户电机控制板上的外部元件，从而节省空间和成本。

dsPIC® DSC 的工作温度范围宽达-40°C 至+150°C。此外，其获得了 AEC Q-100 0级汽车认证，因此非常适用于汽车和工业电机控制应用。其设计中包含许多安全特性，如 DMT、WWDT 和闪存 OTP 等，可提高功能安全性。结合 Microchip 的功能安全手册、FMEDA 报告和动态诊断代码，dsPIC33CK DSC 可以帮助客户简化获得 ISO26262 功能安全认证的过程。

此外，Microchip 还提供十分全面的电机控制硬件开发工具和软件算法支持生态系统。例如，借助名为 motorBench®开发套件的免费软件图形用户界面（GUI），几分钟内即可使用磁场定向控制（FOC）算法启动和运行 BLDC 电机。另一款免费工具名为 X2C-Scope，这是一个电子示波器，可十分方便地在 PC 上调试电机操作或任何应用程序代码。

面向电机控制的 dsPIC33CH 双核 DSC

Microchip 的 dsPIC33CH 双核 DSC 非常适合用于将多个 BLDC 电机驱动的水泵和/或冷却风扇的控制装置合并为一个控制器，从而节省成本和空间。这类 DSC 有两个独立的内核，每个内核的运行频率最高达 100 MHz，配备的电机控制外设能够满足两到三个 BLDC 电机的需求。