電動汽車（EV）正在成為首選的交通方式，為傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車提供了一種可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型替代方案。在電動汽車復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中，眾多電子控制單元（ECU）在確保其高效運行方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電機控制單元（MCU）就是這樣一個 ECU，它是電機性能背后的大腦。在這篇綜合文章中，我們將探索電機控制單元的世界，研究它們的功能、組件以及影響汽車 MCU 領(lǐng)域的最新趨勢。

了解電動汽車使用的電機

在深入研究電動汽車電機控制單元的復(fù)雜性之前，有必要了解電動汽車常用的各種電機類型。最常見的兩種類型是無刷直流（BLDC）電機和永磁同步（PMS）電機。

無刷直流電機又稱電子換向電機，無需電刷和換向器，從而提高了效率，減少了維護。從本質(zhì)上講，它的轉(zhuǎn)子和定子線圈繞組都是永磁體。通過改變電流及其方向，定子產(chǎn)生的磁場以推/拉力驅(qū)動轉(zhuǎn)子。通過改變通過線圈的電流，轉(zhuǎn)速和扭矩均可改變。另一方面，PMS 電機的轉(zhuǎn)子中也裝有永磁體，定子中的線圈呈正弦曲線纏繞。雖然控制機制更為復(fù)雜，但其功率密度比和整體性能更高。

BLDC 電機和 PMS 電機在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，其中 BLDC 電機在三輪車上受到青睞，而 PMS 電機在兩輪/四輪車上受到青睞。此外，在印度這個神秘的市場上，還有一小部分電動汽車采用感應(yīng)電機。

電機控制單元 (MCU) 的功能和組件

電機控制單元是電動汽車電機的中央控制樞紐，執(zhí)行多項重要功能，以確保平穩(wěn)高效地行駛。它的主要職責是將電池提供的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機的三相交流電（AC）。

此外，MCU 還監(jiān)控溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)，以優(yōu)化電機性能并防止?jié)撛诘膿p壞。它還能根據(jù)駕駛員或車輛控制系統(tǒng)的輸入控制電機的速度、扭矩和方向。

? ? MCU 架構(gòu) - 硬件視角 本節(jié)詳細介紹 MCU 架構(gòu)，MCU 的典型框圖如下： 位于中央的微控制器負責執(zhí)行復(fù)雜的控制算法并管理電機的整體運行。它還提供一個外部數(shù)字接口（主要是 CAN），使其能夠與系統(tǒng)中的其他 ECU 通信，并從 VCU 獲取控制信息。柵極驅(qū)動器用于控制電源開關(guān)，由專用的驅(qū)動器控制器外設(shè)或 PWM 通道驅(qū)動。電力電子裝置可實現(xiàn)直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)換。通常情況下，采用六個 MOSFET 配置來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，并增加數(shù)量以滿足電機的電流要求。各種傳感電路提供電機參數(shù)反饋，如位置、相電流、溫度等，以實現(xiàn)精確控制。

? 汽車 MCU 的軟件架構(gòu)

與其他嵌入式系統(tǒng)一樣，電動汽車電機控制單元的軟件架構(gòu)也采用分層方法。固件由電機控制和通信兩大部分組成。電機控制部分監(jiān)控來自各種傳感器的輸入，并利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)驅(qū)動相電流。通信部分可實現(xiàn)外部系統(tǒng)的無縫控制，允許用戶進行交互，并可定制電機參數(shù)，如速度和扭矩限制，以適應(yīng)不同的駕駛條件和偏好。 MCU 架構(gòu)必須符合 ISO26262 等安全標準。此外，它還應(yīng)該是一種高可靠性設(shè)計，能夠有效管理功率耗散，同時不影響性能或用戶體驗。 ? 電機控制單元中的驅(qū)動技術(shù) 雖然驅(qū)動電機有多種方法，如梯形控制和正弦控制，但基于場定向控制（FOC）的驅(qū)動技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

FOC 最初是為交流電機開發(fā)的，它通過最大化正交分量來優(yōu)化電機輸出的扭矩。當來自定子和轉(zhuǎn)子的磁通相互作用時，就會產(chǎn)生一個矢量形式的力，該矢量有兩個分量--d 和 q。d 分量垂直于轉(zhuǎn)子軸線，與磁通分量有關(guān)，而 q 分量代表扭矩，垂直于 d。雖然這種技術(shù)需要更快、更高的處理能力，但 FOC 可提高電機效率、減少能量損失并改善整體系統(tǒng)性能。通過動態(tài)調(diào)整電機的電流和電壓，基于 FOC 的驅(qū)動器可實現(xiàn)更平穩(wěn)的加速、更高的扭矩輸出和更好的響應(yīng)速度。

? 汽車 MCU 中的電力電子器件

電力電子器件在汽車 MCU 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可實現(xiàn)電力的轉(zhuǎn)換和控制。低壓電機（通常低于 100V）采用 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）。相比之下，高電壓電機則采用氮化鎵（GaN）功率開關(guān)和碳化硅（SiC）/絕緣柵雙極晶體管（IGBT）驅(qū)動器。 與傳統(tǒng)的硅基開關(guān)相比，氮化鎵功率開關(guān)具有開關(guān)速度更高、功率損耗更低、熱性能更好等優(yōu)點。因此，電機控制裝置效率更高，能耗更低，功率密度更大。 另一方面，SiC 和 IGBT 驅(qū)動器可提供更高的工作溫度和電壓能力，從而在要求苛刻的電動汽車應(yīng)用中提高性能和可靠性。這些先進的電力電子技術(shù)有助于優(yōu)化汽車 MCU，提高電動汽車的整體效率和性能。

? ? 利用再生制動提高效率

再生制動是電動汽車的一項重要功能，可使電動汽車的電機控制單元在減速和制動時利用和回收能量。再生制動不是將動能轉(zhuǎn)化為熱能，而是將其轉(zhuǎn)換為電能，然后儲存在汽車電池中。這一過程需要復(fù)雜的電子設(shè)備和軟件機制，以有效利用產(chǎn)生的反向電動勢（EMF）。 通過采用再生制動，電機控制單元可以顯著提高電動汽車的效率和續(xù)航能力。這項技術(shù)不僅能減少能源浪費，還能提供更平穩(wěn)、更可控的制動，從而改善整體駕駛體驗。 ?

多電機電動汽車

在追求更高性能和更高效率的驅(qū)動下，多電機電動汽車的采用率正在不斷上升。多電機電動汽車具有更好的牽引力控制、更強的穩(wěn)定性和更高的整體性能。這些車輛利用多個電機驅(qū)動單個車輪或子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)先進的扭矩矢量分配和對每個車輪的精確控制。 然而，多電機電動汽車的實施需要復(fù)雜且成本較高的設(shè)計，因為與之相關(guān)的電機控制單元必須能夠管理功率分配、扭矩分配以及電機之間的協(xié)調(diào)。這些控制單元采用先進的算法和通信協(xié)議，以確保無縫集成和同步運行。

? 電機控制單元的新趨勢

電動汽車行業(yè)在不斷發(fā)展，電機控制裝置也在不斷取得重大進步。其中一個新趨勢是開發(fā)能夠同時控制多個電機的電機控制裝置。此外，電壓水平也在不斷標準化，越來越多的原始設(shè)備制造商開始采用 48 伏電壓。一旦實現(xiàn)標準化，該行業(yè)可能會過渡到更高的電壓，以提高效率。向分區(qū)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變預(yù)計也會給 MCU 架構(gòu)及其定位帶來重大變化。在電機方面，兩輪車原始設(shè)備制造商正在嘗試電機布局，探索輪轂驅(qū)動和中置驅(qū)動兩種模式。隨著緊密集成和效率的提高，電力電子設(shè)備方面也有了顯著改善。預(yù)計這一領(lǐng)域不久將出現(xiàn)令人興奮的發(fā)展。

? 結(jié)論：為電動汽車設(shè)計電機控制單元

隨著電動汽車的普及，電機控制單元在革新電動汽車性能方面的作用變得越來越重要。汽車 MCU 是電動汽車電機的驅(qū)動力，可確保最佳性能和效率。隨著MCU架構(gòu)和技術(shù)的不斷進步，未來的電動汽車將更加高效、強大和可持續(xù)。安邊憑借其可靠的工程師團隊和豐富的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，能夠以極具吸引力的價值為不同功率類別的電動汽車提供電機控制單元。

審核編輯：黃飛

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