解讀：新能源汽車設(shè)計(jì)的研究

      中國(guó)汽車行業(yè)繼續(xù)穩(wěn)坐全球汽車產(chǎn)銷量第一的“寶座”，但隨之而來的卻是一連串的社會(huì)問題：原油對(duì)外依存度超過50%的國(guó)際公認(rèn)安全警戒線；汽車尾氣占城市廢氣超過65%…..新為全球解決傳統(tǒng)能源汽車帶來的環(huán)境問題和能源問題提供了最佳的機(jī)會(huì)，成為全球持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。在近日舉行的中國(guó)（重慶）汽車電子高峰論壇上，基于新能源汽車的電子設(shè)計(jì)也成為熱點(diǎn)話題。

　　“其實(shí)，除了不一樣的驅(qū)動(dòng)方式，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車并無本質(zhì)的區(qū)別，更佳的駕駛與乘坐體驗(yàn)和更高安全性依然是汽車設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)。”富士通半導(dǎo)體（上海）有限公司市場(chǎng)(Rialto)總監(jiān)王鈺指出，“在舒適性和安全性上，視頻技術(shù)獲得越來越廣泛的應(yīng)用，而電機(jī)作為新能源汽車的核心部件，高效率、高性能的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)舒適性和安全性的重要保障。”在本屆論壇上，富士通向中國(guó)汽車電子廠商和整車廠商展示了解決新能源汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的領(lǐng)先汽車電子系統(tǒng)解決方案。

        電機(jī)控制是新能源汽車的關(guān)鍵

　　變頻概念近年來成為包括空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品的絕對(duì)熱點(diǎn)，其中的關(guān)鍵即是電機(jī)的控制技術(shù)。而作為新能源汽車的核心部件，電動(dòng)汽車電機(jī)控制要求更高——電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、快速啟動(dòng)和制動(dòng)以及電機(jī)效率背后都涉及到電機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)，將直接關(guān)系到電能利用效率、整車性能、駕駛體驗(yàn)以及車輛行駛安全。

　　作為傳統(tǒng)消費(fèi)和工業(yè)電機(jī)控制方案的全球主要供應(yīng)商，富士通在新能源汽車電機(jī)控制上也走在了前列，其32位電機(jī)控制MCU MB91F267NA已經(jīng)取得不少成功應(yīng)用。日前，富士通再次針對(duì)新能源汽車對(duì)電機(jī)控制的獨(dú)特需求，發(fā)布了3款電動(dòng)汽車電機(jī)控制MCU MB91580系列。作為高性能32位閃存嵌入微控制器(MCU)的FR家族(Familia)成員，該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電機(jī)控制。該系列節(jié)能汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制芯片擁有專用嵌入旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)器接口，能夠開拓性地控制電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中使用的三相電機(jī)。

                                                               電機(jī)控制MCU發(fā)展路線圖

      隨著新能源汽車技術(shù)逐漸成熟，電機(jī)控制系統(tǒng)面臨越來越高的要求：用于無傳感器矢量控制的復(fù)雜算法和高級(jí)建模需要出色的處理能力；需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。MB91580系列就內(nèi)置可適用于電動(dòng)及混合汽車電機(jī)控制的CPU內(nèi)核和外設(shè)功能，值得一提的是旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)器內(nèi)置了專用接口電路，可降低系統(tǒng)成本，并通過實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須的高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制過程達(dá)到改善電機(jī)運(yùn)行和降低能耗的目的。

　　高效率、低成本地實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩汽車電機(jī)的控制過程極具挑戰(zhàn)性。MB91580系列通過集成關(guān)鍵外設(shè)功能實(shí)現(xiàn)了降低系統(tǒng)成本、高速(High Speed)反饋控制，達(dá)到改善電機(jī)運(yùn)行和低能耗的目的。MB91580集成的主要功能特性還包括：具有高精度檢測(cè)電流和電機(jī)位置的12位A/D轉(zhuǎn)換器和R/D轉(zhuǎn)換器，R/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電角度，與檢測(cè)三相電流的A/D轉(zhuǎn)換器同步；集成專用計(jì)算電路，因此可自動(dòng)計(jì)算內(nèi)置R/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到的電角度的正弦和余弦值。“除了解決方案本身的性能特性外，電機(jī)控制相關(guān)算法也非常關(guān)鍵。富士通可以提供包括成熟的180度變頻控制在內(nèi)的各種核心關(guān)鍵算法，因此在新能源汽車的電機(jī)控制領(lǐng)域具有特殊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。”王鈺指出。

　　高性能電機(jī)控制系統(tǒng)通常包括核心伺服功能、運(yùn)動(dòng)描述和主機(jī)通信功能，對(duì)處理器的處理能力提出了很高的要求。而MB91580系列內(nèi)置高性能CPU內(nèi)核，集成在160DMIPS高性能CPU內(nèi)的專用浮點(diǎn)運(yùn)算單元利用內(nèi)置外設(shè)功能生成的信息處理向量轉(zhuǎn)換和PID控制運(yùn)算，該特性通過實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步快速反饋控制可以改善電機(jī)運(yùn)行和降低能耗。

　　作為新能源汽車的核心部件。電機(jī)控制不僅關(guān)系著整車性能還與行車安全息息相關(guān)。在富士通的電機(jī)控制MCU設(shè)計(jì)中充分考慮了安全特性，通過6大安全機(jī)制來保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，包括：在系統(tǒng)啟動(dòng)前進(jìn)(Forward)行MCU的自我診斷、總線自診斷、RAM的自診斷；程序非法運(yùn)行時(shí)非法輸出端口保護(hù)；系統(tǒng)運(yùn)行期間進(jìn)行總線診斷、RAM錯(cuò)誤糾正、閃存錯(cuò)誤糾正。據(jù)透露，富士通在未來(Futura)的產(chǎn)品計(jì)劃中，還將增加核心MCU的冗余設(shè)計(jì)（例如雙核或多核）以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)保護(hù)。

電機(jī)控制MCU融合了六大安全保障特性。

        視頻技術(shù)提升用戶體驗(yàn)和安全特性

　　知名調(diào)研機(jī)構(gòu)iSuppli指出，一線供應(yīng)商在為汽車開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，必須滿足三大關(guān)鍵條件，其中之一是必須支持視頻顯示和反饋。事實(shí)上，近年來汽車電子領(lǐng)域最具吸引力且成長(zhǎng)最快的部分為基于顯示終端的車載信息娛樂系統(tǒng)以及虛擬儀表系統(tǒng)。這些電子系統(tǒng)需要高性能的視頻圖像處理能力，要求高速(High Speed)進(jìn)行大量實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理。“富士通非常重視這塊業(yè)務(wù)市場(chǎng)(Rialto)，目前富士通占有該領(lǐng)域全球領(lǐng)先的市場(chǎng)(Rialto)份額。”王鈺指出。

　　在本屆汽車電子峰會(huì)上，富士通公司重點(diǎn)展示了基于領(lǐng)先視頻處理技術(shù)的三維全景系統(tǒng)，吸引了與會(huì)專業(yè)人士的極大興趣。這種基于MB86R11“Emerald-L”2D/3D圖像SoC的全景視頻系統(tǒng)支持前后左右四個(gè)攝像頭進(jìn)行汽車周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)全景視頻監(jiān)測(cè)。據(jù)悉，MB86R11采用了獨(dú)特的視頻處理算法，四個(gè)攝像頭采集的圖像通過芯片進(jìn)行視頻捕捉、3D繪圖后，呈現(xiàn)給駕駛員的是LCD上清楚顯示的車周全景圖像，實(shí)現(xiàn)身臨其境的視覺效果，使駕駛員在停車、行車、轉(zhuǎn)彎等條件下都能準(zhǔn)確進(jìn)行周邊行車條件的判斷。由于芯片本身集成了高性能的圖形處理和中央處理器、存儲(chǔ)器控制器，通過硬件的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的四路視頻信息處理，避免了一般視頻處理芯片進(jìn)行大量實(shí)時(shí)視頻信息處理時(shí)的性能瓶頸。

                                                            汽車中視頻、圖像顯示應(yīng)用

　   全景視頻監(jiān)控是先進(jìn)的視頻處理技術(shù)的一種應(yīng)用之一，MB86R11還可以支持汽車數(shù)字儀表板和導(dǎo)航系統(tǒng)的圖像顯示，以及在中高端汽車中將大量采用的基于圖形芯片的虛擬儀表技術(shù)。除MB86R11以外，富士通去年還推出了采用MB91590系列主芯片設(shè)計(jì)的圖形化汽車儀表參考方案，支持GDC強(qiáng)大圖形功能和倒車輔助影像顯示，同期還針對(duì)采用段型液晶顯示的儀表板推出了兩款MB91570系列產(chǎn)品。

　　事實(shí)上，基于MB86R11實(shí)現(xiàn)的全景視頻功能不僅僅可以給汽車駕駛帶來360度的無障礙視覺效果，強(qiáng)大的視頻處理能力還可以實(shí)現(xiàn)更多的安全功能。“該方案可以結(jié)合智能視頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括路基識(shí)別、分界線識(shí)別、各種安全標(biāo)示識(shí)別等主動(dòng)安全功能。”王鈺表示。此外，處理能力超強(qiáng)的視頻芯片還可以進(jìn)行更多的安全應(yīng)用功能擴(kuò)展，例如基于指紋識(shí)別的防盜功能、影像倒車輔助功能以及行車記錄儀，等等。據(jù)悉，目前該芯片的汽車全景視覺應(yīng)用已經(jīng)可提供完整的參考設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了包括主動(dòng)安全功能在內(nèi)的多種功能開發(fā)。

      緊密合作解決廠商技術(shù)困惑

　　常規(guī)汽車電子成本比重為17%，混合動(dòng)力電子成本在40%左右，而純電動(dòng)汽車的電子元器件占整車的成本將增加到60%，電子電路對(duì)于整車功能、性能和成本的影響將起決定性作用。“新能源車的電控技術(shù)更復(fù)雜，整車廠必須進(jìn)行復(fù)雜的功能邏輯開發(fā)、算法研究和基于模型的仿真測(cè)試，這些對(duì)于我們來說都面臨挑戰(zhàn)，希望方案提供商給予更多的技術(shù)支持。”會(huì)場(chǎng)一位來自國(guó)內(nèi)某知名汽車廠商的技術(shù)研發(fā)負(fù)責(zé)人坦率提出了自己困惑。

　　事實(shí)上，為順利地將半導(dǎo)體方案運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，半導(dǎo)體公司一般都會(huì)提供個(gè)各種支持工具。例如，針對(duì)車載視頻功能開發(fā)，富士通公司可以向工程師提供初學(xué)者套件、樣本程序及方便設(shè)計(jì)者通過可視化測(cè)試顯示屏設(shè)計(jì)的圖形設(shè)計(jì)工具，并提供圖形庫。“不僅功能和邏輯設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，整車廠商還必須進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，這也是非常重要的工作。我們給客戶提供成熟的參考設(shè)計(jì)方案并支持基于參考設(shè)計(jì)的應(yīng)用開發(fā)的同時(shí)，還基于現(xiàn)場(chǎng)支持的豐富經(jīng)驗(yàn)，對(duì)客戶測(cè)試中的問題給予指導(dǎo)，這對(duì)于廠商加快產(chǎn)品開發(fā)、提高產(chǎn)品性能非常關(guān)鍵。”王鈺指出，“特別是新能源汽車的核心電機(jī)控制方面，我們擁有一支非常強(qiáng)大的中國(guó)本土研發(fā)團(tuán)隊(duì)專門針對(duì)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，豐富的應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)讓我們的產(chǎn)品方案更適合中國(guó)本土客戶。”

      如何降低新能源汽車成本成為汽車行業(yè)人士關(guān)注的共同話題，而作為占據(jù)純電動(dòng)車成本60%以上的半導(dǎo)體器件非常關(guān)鍵。“我們已經(jīng)推出和即將推出的多款方案特別注意了低成本設(shè)計(jì)，例如我們即將推出的高壓MCU產(chǎn)品將集成高壓輸出，可以直接輸出40V、60V或80V高壓，使包括門窗、雨刮等電機(jī)控制的方案設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單化、低成本。”王鈺表示。除了高壓MCU，富士通還通過在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更多的功能集成來降低成本，例如在最新的電機(jī)控制MCU中就集成了傳感器接口和控制功能，將模擬電路技術(shù)與Flash MCU集成，在高壓MCU中將集成電池管理功能，等等。