新能源汽車熱管理系統低壓執行器驅動系統解決方案推薦

隨著新能源汽車的快速發展，熱管理系統的重要性日益突出。因為不同零部件或者位置的最佳工作溫度不一樣，例如電機，電控，電池，座艙等，所以需要一套系統對整車的熱量進行精細化的調節，從而提高整車的系統熱效率，進而提高續航里程。如下圖所示，這套系統往往由水泵，冷卻液多通閥和膨脹閥等組成。因為它們的位置比較靠近，所以該系統逐漸從分布式走向集中式。因為純電動汽車沒有傳統油車的皮帶輪，所以這些執行器往往通過電機驅動。即使是插電式混動汽車，在追求系統高效率的驅動下，廠家往往希望熱管理系統執行器與發動機皮帶輪解耦，從而進行更靈活的調節。為此，英飛凌基於豐富的MOTIX™系列產品和MCU家族，可以根據客戶需求，靈活地提供熱管理系統的低壓執行器系統級驅動解決方案。

以控制目標為基礎，我們將複雜的熱管理系統進行抽象化，化繁為簡，可以得到下圖的結構簡圖。一般而言，水泵由三相BLDC驅動，冷卻液多通閥由BDC電機驅動，膨脹閥由步進電機或者BLDC電機驅動，通過ADC採集溫度傳感器和液位傳感器的信號。這些執行器和傳感器的數量取決於汽車的系統設計。因為系統執行器比較多，需要的通信帶寬比較高，所以一般採用CAN通信。

 

方案一: TRAVEO™ T2G + SBC + Driver + Bridge

針對這些執行器和傳感器，基於英飛凌豐富的MOTIX™和MCU家族，我們首先提出第一種解決方案：

驅動一個電機需要LDO，MCU，gate driver, amplifier, LIN/CAN transceiver和MOSFET。基於此，英飛凌推出了針對低壓電機驅動的品牌MOTIX™。其中，最簡單的driver系列如下圖左一部分所示，有TLE9210x系列和TLE918x系列；將driver和MOSFET集成在一起的bridge系列包含了BTNxxx/IFX007, TLE94xyz, TLE9201 H 橋等；在driver基礎上，將LDO和transceiver集成在一起，成為SBC，例如TLE956x系列；進一步集成MCU部分，就形成了MCU系列。 



MCU篇

英飛凌的Traveo™ II系列MCU全系內置了電機驅動信號產生模塊，以及3個單元的12-bit的高速SAR ADC模塊，採樣速率可以達到1Mbps，並且可以用Trigger-Multiplexer配合電機的控制信號觸發ADC在TCPWM的指定位置進行採樣。這種方法可以支持對電機的相電流進行同步採樣，非常方便實現FOC控制算法。在Traveo™ II系列的產品中，最少的可以支持12通道的TCPWM（for Motor control），最多可以支持到15通道，加上相同數量的互補輸出的通道，可以同時支持4~5個BLDC電機的控制驅動，而且Traveo™ II帶有豐富的通用TCPWM 輸出埠（以CYT2B78為例，含有12ch TCPWM（16-bit）（Motor Control, 63ch TCPMW（16-bit）, 4ch TCPMW（32-bit）），可以支持多路DC電機或者步進電機的控制，非常適合熱管理系統中的多電機控制應用。


另外，Traveo™ II 也包含非常豐富的外設，以評估板MULTI MOTOR EVALKIT中使用的CYT2B78CADQ0AZE為例，包括6通道的CAN/CAN-FD控制器，7通道的LIN總線控制器，1088KB的Code-flash和96KB的Work-flash以及128KB的SRAM, 採用的是Cortex-M4內核，主頻高達160MHz，而且帶有32-bit的單精度FPU，滿足多電機控制系統對CPU性能的要求。

Traveo™ II全系列滿足ASIL-B的功能安全要求，並且包含eSHE/HSM的硬體信息加密模塊，支持常用的AES（128-bit blocks, 128/192/256-bit keys）, 3DES（64-bit blocks, 64-bit key）, RSA, ECC, SHA-1/2/3, CRC, TRNG, PRNG, GCM等加密算法，滿足安全啟動以及信息安全應用的需要。而且Traveo™ II的Code Flash支持雙分區和讀改寫(Read-while-write)操作的特點，支持固件的OTA更新，可以很方便的實現無感升級以及固件回滾應用。

MOTIX™ SBC篇

LDO用於給MCU和外部傳感器供電；charge pump + gate driver用於驅動MOSFET，進而驅動電機；CSA是current sense amplifier，運算放大器，用於放大採樣電阻上的電壓，然後輸送給MCU的ADC進行轉換。除此之外，隨著汽車智能化和電氣化的發展，控制器越來越多，CAN的特殊幀喚醒成為越來越多汽車廠家的選擇。基於這些需求和英飛凌先進的設計和製造技術，我們推出了TLE956x系列產品，集成上述提到的這些模塊。除此之外，gate driver採用了可控電流驅動，具備自適應驅動功能，可以在保證EMC性能的前提下，有效降低開關損耗，詳細的功能說明可以參考英飛凌官網的產品手冊。TLE956x系列也集成了豐富的故障診斷和保護功能，包括基於Vds壓差的MOSFET短路保護，開路檢測，供電電壓的過壓欠壓保護，基於電流採樣的過流保護，過溫保護等。因為晶片功能豐富而且強大，需要通過寄存器進行配置，該操作是通過SPI通信，考慮到數據完整性，我們提供了CRC功能對SPI數據進行校驗。除此之外，還設計了窗式看門狗，確保晶片邏輯部分的正常工作。對於驅動三相BLDC電機，推薦TLE9563，當然客戶可以根據自己的需求，選擇該系列的合適型號。

MOTIX™ Driver篇

上文提到的TLE9563集成了驅動一個三相BLDC的gate driver，但熱管理系統往往由多個BLDC電機。那麼針對其他的BLDC電機，我們只需要一套gate driver再加一個運放。為此，英飛凌推出了TLE9185三相BLDC電機驅動晶片。相比TLE9563，它只集成了gate driver, CSA和LDO，相應的故障診斷和保護功能類似，具備復用性，可以降低用戶的開發難度。

MOTIX™ Bridge篇

英飛凌的MOTIX™ Bridge家族主要產品如下圖所示，我們根據電流大小進行了分類。熱管理系統的多通閥和膨脹閥的功率比較小，所以我們推薦集成度更高的TLE94xyz系列，它集成了多路半橋。用戶可以根據通道需求數量，選擇合適的型號。



TLE94xyz系列不僅通道數量多，而且集成了很豐富的故障診斷和保護功能，包括過壓/欠壓，過溫，過流保護等，其內部結構如下圖所示。



Sensor篇

考慮到成本需求，熱管理系統中的水泵往往採用無傳感器控制，但位置控制的多通閥和膨脹閥往往需要傳感器。英飛凌電機位置傳感器主要包括霍爾開關和磁阻角度傳感器。

霍爾開關的產品系列中，我們既為電池供電的設計提供了過壓能力高達42V，支持32V供電的TLE4961/TLE4968系列；也為EMC工況較好的設計提供了高性價比5V供電的TLE4963系列。用戶可以根據實際系統設計和磁場需求選擇合適的型號。

英飛凌還提供了各種基於磁阻效應的角度傳感器， GMR, AMR, TMR各種原理的磁阻傳感器均為內部生產。我們既提供了計算完角度直接輸出數字量信號的傳感器TLE5012/TLE5014，也提供了sin/cos輸出的模擬量輸出的TLE5x09/TLE5501。客戶可以根據實際需求選擇合適的產品。

方案二: TRAVEO™ T2G + Embedded Power + Bridge

方案一採用一顆中央MCU管理和控制其他driver和bridge，在後期軟體升級和控制的實時性上有很好的優勢，但是後期擴展會稍微麻煩。為此，我們提出第二種熱管理系統低壓執行器驅動方案，如下圖所示。其中每個BLDC水泵由一個TLE987x控制，控制軟體直接運行在TLE987x晶片中，且軟體可以復用，所以如果後期需要增加水泵數量只需要復用一份TLE987x驅動硬體即可。



MOTIX™ MCU篇

MOTIX™ MCU系列屬於SoC (System on Chip) 級產品，集成了MCU，LDO，gate driver，電流採樣和LIN收發器等模塊。如下圖所示，TLE984x是針對車窗，天窗應用的繼電器方案；TLE985x集成了H橋gate driver，可以驅動直流有刷或者單相無刷電機；TLE987x集成了三相半橋，可以驅動BLDC電機，主要針對泵和風扇類應用。


針對熱管理系統中的水泵驅動，我們推薦TLE987x，其內部框圖如下圖所示，採用CM3內核，主頻高達40MHz，Flash高達256K。詳細的信息和文檔，可以在英飛凌官網搜索TLE987x或者直接訪問：www.infineon.com/tle987x

小結

MOTIX™是專門針對低壓電機驅動的晶片品牌，包含MCU，SBC，Driver和Bridge四種類型的晶片。除此之外，英飛凌還有豐富的高性能MCU家族和Sensor家族。基於如此豐富的產品，英飛凌可以根據客戶需求，提供系統級的定製化驅動方案。

多電機評估板

寫在最後，想要快速上手這個熱管理系統控制方案或者多電機控制方案嗎？那就抓緊申請英飛凌的多電機控制評估板吧，如下圖所示。在英飛凌官網搜索MULTI MOTOR EVALKIT即可找到該評估板主頁，該網站上有評估板的詳細資料和相應的軟體。評估板如下圖所示。

該控制板核心MCU是CYT2B78CADQ0AZE，驅動器件有TLE9563, TLE9185, TLE92104, TLE94112和BTN9970，它可以驅動2個BLDC，並為用戶提供18路半橋。用戶可以靈活搭配半橋驅動BDC電機。其系統拓撲圖如下圖所示。