到2030年預計全球電動汽車將達到1億輛，電氣化引領的趨勢正在變革整個汽車行業。對於電動汽車而言，刨去一切華麗的東西，最重要的無外乎是電池和電機。牢牢把握電動汽車的這兩大命脈，汽車芯片巨頭恩智浦正在扮演汽車電氣化的重要推手。

汽車電氣化對MCU提出高要求

當下，電動汽車的發展新趨勢主要有：第一，對性能和效率的要求越來越高，尤其是續航裏程方面；第二，更高等級的功能安全，汽車功能安全最高可達ASIL D；第三，要求電動車有更高的可靠性和可獲得性；第四，電機需要支持可擴展性，通常一台入門級的汽車可能只需要一個電機，中檔的汽車可能需要兩個電機，高性能的汽車需要三個電機，而卡車或者是越野車可能就需要四個電機了，在這個過程中就需要牽引逆變器提供支持；第五，新的區域車輛架構的設計；最後，是對電動車總成本的控制。

在電動汽車中起重要作用的是逆變器/電機，它能將電池中大概400到800的電壓轉化爲機械能，然後機械能來推動電機轉動。而在控制逆變器/電機的過程中，MCU起到主要作用。

在此，讓我們來了解下電動汽車牽引逆變器/電機控制的工作原理：如下圖所示，1）首先，車輛控制單元VCU向牽引逆變控制MCU發送轉矩命令(電機速度)；2）然後，MCU在接受信號之後執行面向場控制(FOC)算法，向柵極驅動器發送控制脈衝(PWM)；3）接着，隔離柵極驅動器驅動SiC fet开關高壓電池直流，爲牽引電機提供多相交流；4）牽引電機需要旋轉來對車輛進行加速/減速；5）由MCU向解析器發送勵磁信號，確定電機的旋轉角度；6）變壓器輸出模擬(sin/cos)信號表示電機轉子的角位置；7）此外，MCU還要執行安全軟件解析功能，以確定電機的位置和速度進行精確控制。

電動汽車牽引逆變器/電機控制概述

因此，電動汽車市場的這些新趨勢，也對MCU提出了更高的要求。恩智浦半導體大中華區資深市場經理余辰傑認爲，ASIL-D功能安全等級，HSE加密引擎，和豐富的網絡接口能力將是域控制器MCU的必選項，而超高實時算力和硬件支撐的虛擬化機制也將逐漸成爲主流。

對此，恩智浦推出了全新S32K39系列汽車微控制器（MCU），該系列MCU針對電動汽車控制應用進行了優化，那么相比傳統的MCU，它究竟進行了哪些優化和創新呢？

S32K39系列MCU：集多種先進技術於一體

據恩智浦半導體車輛控制和網絡解決方案全球營銷總監Brian Carlson的介紹，恩智浦S32K39的作用相當於推動電動汽車的大腦，來控制牽引逆變器。S32K39最大的創新之處在於，它可以控制兩個牽引逆變器，而且這兩個電機都可以在200 kHz的環路下進行控制。作爲對比，通常來說一個典型的MCU只能控制一個逆變器，而且通常控制環範圍是在50kHz到100kHz。

具體到S32K39產品本身，它搭載4個工作頻率爲320 MHz的Arm Cortex-M7內核，配置爲一個鎖步核和兩個分立核，且通過雙200 kHz控制環路提高能效，既支持傳統的絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT），也支持新推出的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術。S32K39系列還可以控制六相電機，以提高功率密度和容錯性，保持長期高可靠性，用戶可以選擇兩個三相的電機或者是單一使用一個六相的電機。S32K39使用了恩智浦獨有的NanoEdge™高分辨率脈寬調制（PWM），搭載安全ASIL D軟解碼消除了對外部組件的需要，不僅獲得了極高的安全性，也降低了系統成本。同時S32K39還可支持擴展到最多4個電機。

S32K39的主要特點集錦

下圖是S32K39的組成框圖，包括內部的CPU平台具備分立和鎖步核，集成的DSP可以支持機器學習和ADC數字濾波，有兩個電機控制協處理器，還配有硬件安全引擎，6個CAN FD接口、TSN以太網和多個高級可編程I/O，還包括有6MB閃存。S32K39系列集性能、集成、網絡、信息安全和功能安全於一體，滿足了電動汽車牽引逆變器控制新需求。

S32K39 MCU框圖

S32K39的最主要的價值主張，其一是提升電動車的駕駛體驗，幫助車廠提升行駛裏程，獲得更高性能和更佳操控；其二是通過恩智浦的技術爲電動車的創新賦能，比如支持SiC/GaN的高頻开關，區域架構設計等等；其三是支持電動車降低成本，通過模擬集成消除外部組件，優化ASIL D安全系統解決方案等。

S32K39是S32K系列中性能相當出衆的產品。在S32K系列中，還有不帶雙電機控制處理器的S32K37系列，Brian Carlson指出，如果客戶不需要協處理器就可以選擇S32K37，它同樣支持電池管理，電源轉換、車載充電、車輛控制等應用，還可以支持4MB到6MB的閃存。這兩個系列的產品都可以去支持各種各樣的電氣化應用，同時採用相同的封裝。

S32K39和S32K37的區別是：S32K37沒有電機控制協處理器

在汽車電氣化新趨勢下，所需要的已經不僅僅是單一的MCU來進行控制，更需要多種產品來打配合。

在系統層面，S32K39可與恩智浦其他芯片產品耦合，比如說可與FS26安全系統基礎芯片（SBC）和具備可調節動態柵極強度控制的先進高壓隔離柵極驅動器GD3162結合使用，實現安全的逆變器控制系統。同時，S32K39也滿足汽車E/E架構，可以是單或雙的電機架構，也可以與S32Z和S32E協同工作，其中與恩智浦S32E實時處理器結合使用時，S32K39允許靈活地控制多達4個牽引逆變器，並且能夠爲採用該配置的4輪驅動電動汽車實施高級牽引功能。在這其中，S32Z/E相當於電動車的大腦，S32K39主要來實現結點側的智能驅動，他們之間通過CAN或者以太網通信。同時，S32Z/E和S32K39還可以被布置在一個ECU中，通過Zipwire總线進行通信。S32k39的集成靈活性，爲不同的汽車制造商設計提供多種集成選項。

針對S32K39，恩智浦提供了一整套對於部件、操作系統中間件、電機控制、電機演示功能等的軟件支持，同時有一系列的工具便於在MATLAB上面進行演示。此外，還有電機控制應用調整功能（MCAT）、S32設計工作室（S32DS）、S32配置工具（S32CT）等一整套的軟件的賦能。

S32K39產品計劃在2023年年底的時候投產，目前，爲主要客戶提供工程樣片、評估板和綜合性軟件支持與工具。

電池管理系統上雲，由AI驅動

對於電動汽車來說，電池仍然是最重要也最昂貴的組件。因此，業界一直在電池管理方面下功夫，提升電池性能、發揮電池的最大作用，於企業本身、於全球的生態環境來說都是一件值得做的事情。

爲了能夠實現更好的電池系統管理，恩智浦與合作夥伴Electra Vehicles, Inc.合作开發了AI驅動的電池數字孿生解決方案。該解決方案通過S32G GoldBox汽車網絡參考設計將其高壓電池管理系統（HVBMS）連接到雲端，進而可以利用由人工智能（AI）驅動的電池數字孿生模型。恩智浦通過Electra Vehicles, Inc的EVE-Ai™ 360度自適應控制技術激發雲端數字孿生模型的潛在優勢，實現更優物理BMS實時預測和管理，提升電池性能，改善電池健康狀態（提升高達12%），並支持多種全新應用，例如電動汽車車隊管理。在HVBMS高壓電池管理系統的參考設計，內部就用到了S32K3 MCU，還有模擬前端N-AFE，還有電池的接线盒。

恩智浦的高壓電池管理系統

下圖展示了恩智浦的這一解決方案是如何對系統進行設置，數據是如何生成、傳輸到雲端的。恩智浦半導體電池管理系統總監兼部門經理Andreas Schlapka博士指出，這個方案最大的一個關鍵點是，當人工智能算法在雲端做好开發之後，用戶可以直接下載到車子上的MCU的控制器當中，那么就可以在本地，即在你的車裏去監測電池的健康狀態、充電的狀態，包括CAN總线充電的情況。

Andreas Schlapka博士還表示，由AI驅動的數字孿生雲服務擁有巨大潛在優勢，可以改善對電池健康狀態（SOH）和充電狀態（SOC）的估算，繼而提高能效、延長使用壽命、降低成本。運行條件的變化可能導致電池健康狀態的持續變化，電池數字孿生模型可適應這種持續變化，並向BMS反饋數據更新，從而持續改進控制決策。

汽車廠商可以使用該技術來提供駕駛員分析，例如剩余裏程或速度建議等。除此之外，自適應電池控制還可以改善電池的性能，並安全地延長其使用壽命，爲車廠降低保修成本。該技術的另一個潛在應用是電動汽車車隊管理，可爲車隊運營商提供重要的使用情況分析，例如汽車充電時間和電池預測診斷等。此外，有了這些深度信息，電池維護中心可以實現快速診斷，減少停機時間，電動汽車充電站運營商可以有效地優化充電服務，提高能源效率。

寫在最後

無論是S32K39還是引入AI驅動數字孿生，都是恩智浦順應汽車電氣化趨勢下的創新，未來MCU的功能越來越多是必然。在這一新趨勢下，需要汽車廠商和半導體廠商更加緊密、更加高效的合作，以此來進一步加速推進電動汽車革命。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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