深入解析汽车 MCU 的软件架构

一、背景知识

电动汽车（EV）正在成为首选的交通方式，为传统内燃机汽车提供了一种可持续发展的环保型替代方案。在电动汽车复杂的生态系统中，众多电子控制单元（ECU）在确保其高效运行方面发挥着至关重要的作用。电机控制单元（MCU）就是这样一个 ECU，它是电机性能背后的大脑。在这篇综合文章中，我们将探索电机控制单元的世界，研究它们的功能、组件以及影响汽车 MCU 领域的最新趋势。

了解电动汽车使用的电机

在深入研究电动汽车电机控制单元的复杂性之前，有必要了解电动汽车常用的各种电机类型。最常见的两种类型是无刷直流（BLDC）电机和永磁同步（PMS）电机。

无刷直流电机又称电子换向电机，无需电刷和换向器，从而提高了效率，减少了维护。从本质上讲，它的转子和定子线圈绕组都是永磁体。通过改变电流及其方向，定子产生的磁场以推/拉力驱动转子。通过改变通过线圈的电流，转速和扭矩均可改变。另一方面，PMS 电机的转子中也装有永磁体，定子中的线圈呈正弦曲线缠绕。虽然控制机制更为复杂，但其功率密度比和整体性能更高。

BLDC 电机和 PMS 电机在市场上占据主导地位，其中 BLDC 电机在三轮车上受到青睐，而 PMS 电机在两轮/四轮车上受到青睐。此外，在印度这个神秘的市场上，还有一小部分电动汽车采用感应电机。

电机控制单元 (MCU) 的功能和组件

电机控制单元是电动汽车电机的中央控制枢纽，执行多项重要功能，以确保平稳高效地行驶。它的主要职责是将电池提供的直流电（DC）转换为驱动电机的三相交流电（AC）。

此外，MCU 还监控温度、电流和电压等关键参数，以优化电机性能并防止潜在的损坏。它还能根据驾驶员或车辆控制系统的输入控制电机的速度、扭矩和方向。

电性能测试系统

由于车辆复杂的使用环境造成汽车内的电源环境不稳定的因素很多，如引擎启动、电网波动、抛负载以及电路颤动等，都会使车载电气设备不同程度的故障或损坏。因此，模拟各种瞬时故障以及电源变动的情形，对用电设备和车载电气设备进行电源变动试验，已成为车载零部件电气特性测试和电磁兼容(EMC) 测试的重要组成部分。

MCU 架构 - 硬件视角

本节详细介绍 MCU 架构，MCU 的典型框图如下： 位于中央的微控制器负责执行复杂的控制算法并管理电机的整体运行。它还提供一个外部数字接口（主要是 CAN），使其能够与系统中的其他 ECU 通信，并从 VCU 获取控制信息。栅极驱动器用于控制电源开关，由专用的驱动器控制器外设或 PWM 通道驱动。电力电子装置可实现直流电和交流电之间的转换。通常情况下，采用六个 MOSFET 配置来实现这种转换，并增加数量以满足电机的电流要求。各种传感电路提供电机参数反馈，如位置、相电流、温度等，以实现精确控制。

二、参考测试标准

高压系统

• ISO/TS7637-4-2020 道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰 第 4 部分：沿屏蔽高压电源线的电瞬态传导

• IS021498-1：2021 电动道路车辆-电压等级 B 系统和部件的电气规格和测试 第 1 部分:电压子等级和特性

• 其他企业执行测试标准，如 VW80300/80303、MBNLV123、GS95023 等

低压系统

• GB/T28046.2-2019 道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验 第 2 部分：电气负荷(S016750-2-2012)

• IS07637-2-2011 道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰 第 2 部分：沿电源线的电瞬态传导

• 其他企业执行测试标准如 VW80000、MBNLV124/148、GS95002-3、28400NDS9[5、GMW372-2018、 SMTC3800001-2014 等

充电系统

• GB34660-2017 道路车辆电磁兼容性要求和试验方法(ECEReg10REV5)

• IEC61851 电动车辆充电系统

三、系统特点

• 适应不同测试场景:实验室、下线检测、第三方认证

• 全自动对标测试、报告生成

• 可灵活配置、扩充升级的系统容量 (电压~1500V，电流~1000A，纹波频率~300kHz)可

• 分阶段、分项目构建完整系统，扩展测试项目

四、系统框架

高压零部件电气特性测试系统

低压零部件电气特性测试系统

测试示例

汽车 MCU 的软件架构

与其他嵌入式系统一样，电动汽车电机控制单元的软件架构也采用分层方法。固件由电机控制和通信两大部分组成。电机控制部分监控来自各种传感器的输入，并利用复杂的数学函数驱动相电流。通信部分可实现外部系统的无缝控制，允许用户进行交互，并可定制电机参数，如速度和扭矩限制，以适应不同的驾驶条件和偏好。 MCU 架构必须符合 ISO26262 等安全标准。此外，它还应该是一种高可靠性设计，能够有效管理功率耗散，同时不影响性能或用户体验。   电机控制单元中的驱动技术 虽然驱动电机有多种方法，如梯形控制和正弦控制，但基于场定向控制（FOC）的驱动技术已得到广泛应用。

FOC 最初是为交流电机开发的，它通过最大化正交分量来优化电机输出的扭矩。当来自定子和转子的磁通相互作用时，就会产生一个矢量形式的力，该矢量有两个分量--d 和 q。d 分量垂直于转子轴线，与磁通分量有关，而 q 分量代表扭矩，垂直于 d。虽然这种技术需要更快、更高的处理能力，但 FOC 可提高电机效率、减少能量损失并改善整体系统性能。通过动态调整电机的电流和电压，基于 FOC 的驱动器可实现更平稳的加速、更高的扭矩输出和更好的响应速度。

汽车 MCU 中的电力电子器件

电力电子器件在汽车 MCU 中发挥着至关重要的作用，可实现电力的转换和控制。低压电机（通常低于 100V）采用 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。相比之下，高电压电机则采用氮化镓（GaN）功率开关和碳化硅（SiC）/绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动器。 与传统的硅基开关相比，氮化镓功率开关具有开关速度更高、功率损耗更低、热性能更好等优点。因此，电机控制装置效率更高，能耗更低，功率密度更大。 另一方面，SiC 和 IGBT 驱动器可提供更高的工作温度和电压能力，从而在要求苛刻的电动汽车应用中提高性能和可靠性。这些先进的电力电子技术有助于优化汽车 MCU，提高电动汽车的整体效率和性能。

利用再生制动提高效率

再生制动是电动汽车的一项重要功能，可使电动汽车的电机控制单元在减速和制动时利用和回收能量。再生制动不是将动能转化为热能，而是将其转换为电能，然后储存在汽车电池中。这一过程需要复杂的电子设备和软件机制，以有效利用产生的反向电动势（EMF）。 通过采用再生制动，电机控制单元可以显著提高电动汽车的效率和续航能力。这项技术不仅能减少能源浪费，还能提供更平稳、更可控的制动，从而改善整体驾驶体验。  

多电机电动汽车

在追求更高性能和更高效率的驱动下，多电机电动汽车的采用率正在不断上升。多电机电动汽车具有更好的牵引力控制、更强的稳定性和更高的整体性能。这些车辆利用多个电机驱动单个车轮或子系统，从而实现先进的扭矩矢量分配和对每个车轮的精确控制。 然而，多电机电动汽车的实施需要复杂且成本较高的设计，因为与之相关的电机控制单元必须能够管理功率分配、扭矩分配以及电机之间的协调。这些控制单元采用先进的算法和通信协议，以确保无缝集成和同步运行。

电机控制单元的新趋势

电动汽车行业在不断发展，电机控制装置也在不断取得重大进步。其中一个新趋势是开发能够同时控制多个电机的电机控制装置。此外，电压水平也在不断标准化，越来越多的原始设备制造商开始采用 48 伏电压。一旦实现标准化，该行业可能会过渡到更高的电压，以提高效率。向分区架构的转变预计也会给 MCU 架构及其定位带来重大变化。在电机方面，两轮车原始设备制造商正在尝试电机布局，探索轮毂驱动和中置驱动两种模式。随着紧密集成和效率的提高，电力电子设备方面也有了显著改善。预计这一领域不久将出现令人兴奋的发展。

结论：为电动汽车设计电机控制单元

随着电动汽车的普及，电机控制单元在革新电动汽车性能方面的作用变得越来越重要。汽车 MCU 是电动汽车电机的驱动力，可确保最佳性能和效率。随着 MCU 架构和技术的不断进步，未来的电动汽车将更加高效、强大和可持续。安边凭借其可靠的工程师团队和丰富的合作伙伴生态系统，能够以极具吸引力的价值为不同功率类别的电动汽车提供电机控制单元。