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新能源汽車熱管理系統(tǒng)低壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案推薦

發(fā)布時(shí)間:2023-07-05 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著新能源汽車的快速發(fā)展,熱管理系統(tǒng)的重要性日益突出。因?yàn)椴煌悴考蛘呶恢玫淖罴压ぷ鳒囟炔灰粯?,例如電機(jī),電控,電池,座艙等,所以需要一套系統(tǒng)對(duì)整車的熱量進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)節(jié),從而提高整車的系統(tǒng)熱效率,進(jìn)而提高續(xù)航里程。如下圖所示,這套系統(tǒng)往往由水泵,冷卻液多通閥和膨脹閥等組成。因?yàn)樗鼈兊奈恢帽容^靠近,所以該系統(tǒng)逐漸從分布式走向集中式。因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車沒有傳統(tǒng)油車的皮帶輪,所以這些執(zhí)行器往往通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)。即使是插電式混動(dòng)汽車,在追求系統(tǒng)高效率的驅(qū)動(dòng)下,廠家往往希望熱管理系統(tǒng)執(zhí)行器與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪解耦,從而進(jìn)行更靈活的調(diào)節(jié)。為此,英飛凌基于豐富的MOTIX?系列產(chǎn)品和MCU家族,可以根據(jù)客戶需求,靈活地提供熱管理系統(tǒng)的低壓執(zhí)行器系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)解決方案。


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以控制目標(biāo)為基礎(chǔ),我們將復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行抽象化,化繁為簡,可以得到下圖的結(jié)構(gòu)簡圖。一般而言,水泵由三相BLDC驅(qū)動(dòng),冷卻液多通閥由BDC電機(jī)驅(qū)動(dòng),膨脹閥由步進(jìn)電機(jī)或者BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過ADC采集溫度傳感器和液位傳感器的信號(hào)。這些執(zhí)行器和傳感器的數(shù)量取決于汽車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)橄到y(tǒng)執(zhí)行器比較多,需要的通信帶寬比較高,所以一般采用CAN通信。


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


針對(duì)這些執(zhí)行器和傳感器,基于英飛凌豐富的MOTIX?和MCU家族,我們首先提出第一種解決方案:


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驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)需要LDO,MCU,gate driver, amplifier, LIN/CAN transceiver和MOSFET?;诖?,英飛凌推出了針對(duì)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)上,將LDO和transceiver集成在一起,成為SBC,例如TLE956x系列;進(jìn)一步集成MCU部分,就形成了MCU系列。 


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MCU篇


英飛凌的Traveo? II系列MCU全系內(nèi)置了電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊,以及3個(gè)單元的12-bit的高速SAR ADC模塊,采樣速率可以達(dá)到1Mbps,并且可以用Trigger-Multiplexer配合電機(jī)的控制信號(hào)觸發(fā)ADC在TCPWM的指定位置進(jìn)行采樣。這種方法可以支持對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行同步采樣,非常方便實(shí)現(xiàn)FOC控制算法。在Traveo? II系列的產(chǎn)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(shù)量的互補(bǔ)輸出的通道,可以同時(shí)支持4~5個(gè)BLDC電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng),而且Traveo? II帶有豐富的通用TCPWM 輸出端口(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(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的控制,非常適合熱管理系統(tǒng)中的多電機(jī)控制應(yīng)用。


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另外,Traveo? II 也包含非常豐富的外設(shè),以評(píng)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, 采用的是Cortex-M4內(nèi)核,主頻高達(dá)160MHz,而且?guī)в?2-bit的單精度FPU,滿足多電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)CPU性能的要求。


Traveo? II全系列滿足ASIL-B的功能安全要求,并且包含eSHE/HSM的硬件信息加密模塊,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(dòng)以及信息安全應(yīng)用的需要。而且Traveo? II的Code Flash支持雙分區(qū)和讀改寫(Read-while-write)操作的特點(diǎn),支持固件的OTA更新,可以很方便的實(shí)現(xiàn)無感升級(jí)以及固件回滾應(yīng)用。


MOTIX? SBC篇


LDO用于給MCU和外部傳感器供電;charge pump + gate driver用于驅(qū)動(dòng)MOSFET,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī);CSA是current sense amplifier,運(yùn)算放大器,用于放大采樣電阻上的電壓,然后輸送給MCU的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除此之外,隨著汽車智能化和電氣化的發(fā)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?;谶@些需求和英飛凌先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù),我們推出了TLE956x系列產(chǎn)品,集成上述提到的這些模塊。除此之外,gate driver采用了可控電流驅(qū)動(dòng),具備自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)功能,可以在保證EMC性能的前提下,有效降低開關(guān)損耗,詳細(xì)的功能說明可以參考英飛凌官網(wǎng)的產(chǎn)品手冊(cè)。TLE956x系列也集成了豐富的故障診斷和保護(hù)功能,包括基于Vds壓差的MOSFET短路保護(hù),開路檢測,供電電壓的過壓欠壓保護(hù),基于電流采樣的過流保護(hù),過溫保護(hù)等。因?yàn)樾酒δ茇S富而且強(qiáng)大,需要通過寄存器進(jìn)行配置,該操作是通過SPI通信,考慮到數(shù)據(jù)完整性,我們提供了CRC功能對(duì)SPI數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。除此之外,還設(shè)計(jì)了窗式看門狗,確保芯片邏輯部分的正常工作。對(duì)于驅(qū)動(dòng)三相BLDC電機(jī),推薦TLE9563,當(dāng)然客戶可以根據(jù)自己的需求,選擇該系列的合適型號(hào)。


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MOTIX? Driver篇


上文提到的TLE9563集成了驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相BLDC的gate driver,但熱管理系統(tǒng)往往由多個(gè)BLDC電機(jī)。那么針對(duì)其他的BLDC電機(jī),我們只需要一套gate driver再加一個(gè)運(yùn)放。為此,英飛凌推出了TLE9185三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。相比TLE9563,它只集成了gate driver, CSA和LDO,相應(yīng)的故障診斷和保護(hù)功能類似,具備復(fù)用性,可以降低用戶的開發(fā)難度。


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MOTIX? Bridge篇


英飛凌的MOTIX? Bridge家族主要產(chǎn)品如下圖所示,我們根據(jù)電流大小進(jìn)行了分類。熱管理系統(tǒng)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(jù)通道需求數(shù)量,選擇合適的型號(hào)。


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TLE94xyz系列不僅通道數(shù)量多,而且集成了很豐富的故障診斷和保護(hù)功能,包括過壓/欠壓,過溫,過流保護(hù)等,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。


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Sensor篇


考慮到成本需求,熱管理系統(tǒng)中的水泵往往采用無傳感器控制,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(jī)位置傳感器主要包括霍爾開關(guān)和磁阻角度傳感器。


霍爾開關(guān)的產(chǎn)品系列中,我們既為電池供電的設(shè)計(jì)提供了過壓能力高達(dá)42V,支持32V供電的TLE4961/TLE4968系列;也為EMC工況較好的設(shè)計(jì)提供了高性價(jià)比5V供電的TLE4963系列。用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和磁場需求選擇合適的型號(hào)。


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英飛凌還提供了各種基于磁阻效應(yīng)的角度傳感器, GMR, AMR, TMR各種原理的磁阻傳感器均為內(nèi)部生產(chǎn)。我們既提供了計(jì)算完角度直接輸出數(shù)字量信號(hào)的傳感器TLE5012/TLE5014,也提供了sin/cos輸出的模擬量輸出的TLE5x09/TLE5501??蛻艨梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的產(chǎn)品。


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方案二: TRAVEO? T2G + Embedded Power + Bridge


方案一采用一顆中央MCU管理和控制其他driver和bridge,在后期軟件升級(jí)和控制的實(shí)時(shí)性上有很好的優(yōu)勢,但是后期擴(kuò)展會(huì)稍微麻煩。為此,我們提出第二種熱管理系統(tǒng)低壓執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)方案,如下圖所示。其中每個(gè)BLDC水泵由一個(gè)TLE987x控制,控制軟件直接運(yùn)行在TLE987x芯片中,且軟件可以復(fù)用,所以如果后期需要增加水泵數(shù)量只需要復(fù)用一份TLE987x驅(qū)動(dòng)硬件即可。


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MOTIX? MCU篇


MOTIX? MCU系列屬于SoC (System on Chip) 級(jí)產(chǎn)品,集成了MCU,LDO,gate driver,電流采樣和LIN收發(fā)器等模塊。如下圖所示,TLE984x是針對(duì)車窗,天窗應(yīng)用的繼電器方案;TLE985x集成了H橋gate driver,可以驅(qū)動(dòng)直流有刷或者單相無刷電機(jī);TLE987x集成了三相半橋,可以驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī),主要針對(duì)泵和風(fēng)扇類應(yīng)用。


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針對(duì)熱管理系統(tǒng)中的水泵驅(qū)動(dòng),我們推薦TLE987x,其內(nèi)部框圖如下圖所示,采用CM3內(nèi)核,主頻高達(dá)40MHz,F(xiàn)lash高達(dá)256K。詳細(xì)的信息和文檔,可以在英飛凌官網(wǎng)搜索TLE987x或者直接訪問:www.infineon.com/tle987x


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小結(jié)


MOTIX?是專門針對(duì)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片品牌,包含MCU,SBC,Driver和Bridge四種類型的芯片。除此之外,英飛凌還有豐富的高性能MCU家族和Sensor家族?;谌绱素S富的產(chǎn)品,英飛凌可以根據(jù)客戶需求,提供系統(tǒng)級(jí)的定制化驅(qū)動(dòng)方案。


多電機(jī)評(píng)估板


寫在最后,想要快速上手這個(gè)熱管理系統(tǒng)控制方案或者多電機(jī)控制方案嗎?那就抓緊申請(qǐng)英飛凌的多電機(jī)控制評(píng)估板吧,如下圖所示。在英飛凌官網(wǎng)搜索MULTI MOTOR EVALKIT即可找到該評(píng)估板主頁,該網(wǎng)站上有評(píng)估板的詳細(xì)資料和相應(yīng)的軟件。評(píng)估板如下圖所示。


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該控制板核心MCU是CYT2B78CADQ0AZE,驅(qū)動(dòng)器件有TLE9563, TLE9185, TLE92104, TLE94112和BTN9970,它可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)BLDC,并為用戶提供18路半橋。用戶可以靈活搭配半橋驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)。其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖所示。


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