本文导读

汽车热管理系统就是对汽车进行温控和冷却，用来保证汽车各零部件以及驾驶舱内处于适宜的温度范围。在新能源汽车上主要表现在电池系统、电驱系统和空调系统的温度控制上，而各回路系统的水泵作为能量流动的重要角色，因此，做到对三个水泵的灵活控制显得尤为重要。

随着低碳经济的提出和节能减排的号召，“新能源”已经成为当今社会的热点话题，在新能源汽车上更是对车内能源利用率提出了更高的要求，主要体现在实现各回路热量与冷量需求的内部匹配。新能源电动汽车热管理已成为保障车辆宽温域环境适应能力、电池热安全和乘员舱热舒适性等方面的关键技术，同时也对电动汽车的能耗，特别是高低温环境下的整车能耗有着显著影响。随着车辆电气化和智能化的快速发展，与传统汽车相比，电动汽车热管理技术和发展路线在动力系统、空调系统等子热力系统和整车层面都呈现出了明显的差异和巨大的进步。

新能源汽车热管理系统

汽车在行驶工作时，其内部会产生大量的热量，而热管理系统便是负责汽车内部热量的产生和传输等问题，将车内热量控制在合适的范围内，防止高温引起汽车故障。

图1 汽车热管理构成

传统燃油汽车的热管理系统,基本围绕其动力系统展开,主要包括发动机冷却系统以及主要利用发动机余热和动力进行制热/制冷的空调系统｡

对于新能源的热管理系统，需要具备更复杂的系统，更高的成本，比如相较传统燃油车，多了电池、电驱电器件，就要多一套的电池冷却系统，以及增加电动电器件的冷却系统。新能源汽车热管理系统包括电池热管理、电机电控热管理和空调热管理。

电池热管理

动力电池能完全发挥性能的温度范围通常为 0℃~40℃｡温度过低,电池充放电功率性能下降,整车表现出动力不足､续航缩减;温度过高会产生电池热失控风险,威胁整车安全。电池的散热方式主要有风冷式、液冷式和直冷式。随电池的能量密度提升，直冷已经满足不了散热需求了，而液体的比热容比空气高，液冷式比风冷式散热效果更佳，使得液冷成为主流趋势。

电机电控热管理

电机和电控是新能源汽车一大发热源。温度控制带来最佳性能体验，电机电控零部件产生高温影响性能，需通过冷却循环及时散热，电机电控零部件工作时产生的热量若不及时散去会使其性能和寿命下降。

空调热管理

电动汽车空调系统主要负责汽车乘员舱的热管理，从而为司乘人员提供舒适的驾驶乘坐环境，进而保障驾驶员的安全驾驶。
当前电动汽车主要采用的空调系统为压缩式单冷空调和电加热器的组合，这种空调系统技术成熟，与燃油车差别不大。目前主要使用的是PTC空调和热泵空调。

集成式热管理系统成为发展趋势

目前传统车热管理方案已经较为成熟，传统内燃机汽车可以利用发动机的余热进行采暖。在电动汽车发展的初期，各系统的热管理功能独立，纯电动汽车的空调系统工作所需能量均来自动力电池，无法利用内燃机余热进行乘员舱的加热，主要依靠高压 PTC 进行供暖，在冬季环境中，会大量消耗电池电量，缩短续驶里程。这样的分散式热管理系统部件众多，体积及质量大，缺乏对整车热量的统一管理，热管理效率较低，系统成本高，但结构简单，系统控制简单。

在电动汽车续驶和整车能耗的压力下，随着电动汽车开发技术的进化，具备更低热管理能耗、更宽工作温域、更低系统成本和更紧凑的系统结构的一体化集成热管理系统成为电动汽车的大势所趋。该设计对三大系统产生的热量进行统一的管理，从而大幅提高车辆整车的热管理效率，采用更高效的热泵空调代替PTC作为主要热源，并采用电机余热回收或电机发热等作为补充热源来拓展工作温域。将各系统的加热功能、冷却功能集成化，而非分散式热源。将冷却管路、控制阀、水泵、膨胀壶等辅助系统部件集成使结构更紧凑。与零散的系统相比可以显著降低热管理系统整体所占用的空间和重量。

集成式管理系统可大幅度降低能量损耗，直接提升续航里程，国外厂商已经有6年的验证搭载周期，目前装载率仅10%，产业升级趋势明确。

助力集成式热管理系统

新能源汽车热管理系统核心零部件：换热器 Chiller、电池冷却板、电子膨胀阀、电子水泵、水暖 PTC、电动压缩机、冷凝器、风扇、电子膨胀阀、蒸发器等。其中水泵是整套系统的心脏，驱动液体在三个系统中流动、交换能量。

图2 新能源车热管理构成

在这套系统中，水泵几乎是一直在工作的，因其工作特性，需要工作寿命长且兼顾效率高、噪音低、振动小、质量小等特点。使用FOC算法控制无刷电机，能满足市场需求。在这套系统中，为确保各个系统的液体流通，需要三个水泵，分别负责每一路液体传输的动力来源。对于水泵的驱动和控制，早期方案是单个MCU驱动一个水泵，各个水泵控制是独立分开的，机车控制中心需要对三个MCU进行数据交互，才能完成对水泵的有效控制，导致对整个热管理系统数据管理是十分复杂的，并且其后期OTA也是复杂的。

现在推出S32K3多电机控制方案，单个S32K3 MCU就可控制3个水泵，更方便对其进行管理，后期OTA也更加简单，同时S32K3在安全方面的性能比S32K1更加可靠。

立功科技 S32K3多电机控制方案

有效系统控制框图如图3所示。

图3 系统控制框图

功能特性：

• 支持三个PMSM的无感FOC控制

• 单板设计，优化的电流采样、方便调试

• 支持3个PMSM的单、双电阻FOC

• PMSM的功率可达350W

• FreeMASTER调试工具已适配三电机方案

• 支持多路阀门控制

• 支持多路步进电机控制

• 支持多路有刷电机控制

只要用户对新能源汽车还有电池续航、舒适度、电池快充等需求，集成式热管理的重要性进一步强化，是未来新能源汽车热管理的关键趋势。立功科技可提供多电机控制方案，助力集成式热管理系统开发。

本文导读

NXP推出的S32K3XX系列微控制器在电机控制方面具有丰富的外设资源，相比较上个系列S32K1xx来说，控制方式有明显的不同。S32K3xx微控制器通过eMIOS、LCU、BCTU和ADC等硬件外设对电机实现控制，显得更加灵活和方便。

NXP S32K3xx系列微控制器，相比较上个系列S32K1xx来说存在着诸多亮点，从主频，外设资源、安全等级以及安全加密等都有很大的提升。虽然S32K3是S32K1的升级版，但是很多外设以及功能实现方式却完全不同。单纯从电机控制方面来说，S32K3xx硬件外设eMIOS、LCU、BCTU和ADC的组合方式，相比较S32K1xx的FTM、PDB和ADC明显不同，对电机的控制更加灵活方便。

S32K3xx系列微控制器具有生成PWM、输入捕获和输出比较功能的eMIOS、可以自由灵活配置的小型FPGA外设LCU、专门为了方便控制ADC触发的BCTU和多路ADC通道。S32K3这些硬件资源足以对PMSM、BLDC和ACIM等电机进行控制。下面一起来了解S32K3xx eMIOS、LCU、BCTU和ADC外设的功能介绍。

eMIOS

eMIOS（Enhanced Modular IO Subsystem，增强型模块化IO子系统），该外设主要用于生成PWM、捕获外部信号和输出比较。eMIOS内部有计数总线机制，可以支持各通道使用不同的时钟频率计数，且每个通道都是独立，可以自由配置各种模式。
eMIOS通道可以配置的模式按照功能可以分类如下：

以S32K344举例，其具有3个eMIOS实例，每个emios实例具有24个通道，每个通道有四种通道类型（X、Y、G和H）区分，比如Y类型通道就只支持SAIC\ SAOC\ OPWMB\ OPWMT功能，其他通道类型支持的模式可以在用户手册自行查找。
但并不是所有模式只要一个通道配置成该模式，该模式功能就可以实现的。有些模式是需要用另一个通道配置成计数总线模式，用另一个通道给该模式提供时钟频率，该模式才可以正常工作。比如以OPWMT模式为例，手册规定OPWMT模式时钟必须是由MC或者MCB模式通道提供，所以就需要将一个通道配置成MC或者MCB模式去提供时钟，另一个通道配置成OPWMT模式才能起作用。

LCU

LCU(Logic Control Unit，逻辑控制单元)， LCU用于创建小型组合时序逻辑电路，该外设主要是与eMIOS或者SIUL2外设组合使用，将eMIOS生成的PWM或者SIUL2输入的电平经过LCU进行查表操作，从而输出对应的PWM或者电平。因为LCU可以理解为一个FPGA，其实现逻辑电路的灵活性也给电机控制提供了更多可能性。
一个LCU内部由3个LC组成，一个LC具有4个输入和4个输出，同时还具有强制控制功能，如图1所示。LC将输入的信号，通过查找表(LUT)产生输出信号，可以通过TRGMUX给到对应的外设，而查找表(LUT)就是LCU的核心内容，可由软件自由设置。用户可以使用LCU编程为与或非和异或等逻辑器件，也可以编程为S-R触发器，D触发器，JK触发器，增量编码器以及ACIM、PMSM和BLDC电机控制器。

图1  LCU内部框图

eMIOS+LCU组合使用

eMIOS和LCU的组合使用需要借助TRGMUX进行连接。以产生互补的PWM为例，如图2所示，eMIOS产生的PWM，通过TRGMUX连接到LCU其中一个LC的输入，LC内部进行查表，从而在LC的输出端产生一对互补的PWM波形。

图2 eMIOS和LCU组合使用

这上面只是eMIOS+LCU的一个应用，还可以有其他的应用方式，具体要根据实际场景进行使用。

ADC

S32K3XX系列微控制器ADC具有可选分辨率：8/10/12/14 bit，转化结果始终为15bit宽；在80MHz转化时钟下采样和转化时间约为1us，即高达1M samples/sec，且转化精度为+/-6LSB。

S32K3XX系列微控制器最多有3个ADC，每个ADC具有8个精密通道，16个标准通道，和最多支持32路外部通道，这三种通道的转化优先级顺序为：精密通道>标准通道>外部通道。其中精密通道和标准通道是实实在在可以在芯片引脚上可以找到复用引脚的，但外部通道却不一样，看手册描述一个ADC支持32路外部通道ADC，但看说手册发现一个ADC的外部通道输入引脚就只有4个，那么怎么支持32路外部通道呢？
每个ADC提供三个外部解码信号(“MA”)，用于从外部多路选择器选择一个通道（最多八个）输入到ADC的外部通道引脚，如图3所示。因为一个ADC有4个外部通道输入引脚，就可以有四个8通道数据选择器，所以最多连接32个外部通道。需要注意的是，ADCx_MA是格雷编码的，因此它不会从0到7连续计数，它计数顺序为0、1，3，2，6，7，5，4。

图3  ADC外部通道硬件实现框图

ADC支持三种转化模式：

• 正常转换：支持一次转换和连续转换。

• 注入转换：仅支持单次转换。注入转换可以在一组输入通道已经开始转化的过程中，注入另一组输入通道进行转换。

• BCTU转换：由BCTU外设触发ADC，每次触发运行一次转换，转化支持单一和列表转化。

BCTU

BCTU(Body Cross-triggering Unit)，BCTU外设可以理解就是为了方便控制ADC触发的外设。BCTU用于接收ADC转化请求触发输入，将请求路由到一个或多个ADC。BCUT触发源有三种方式：eMIOS定时器通道；TRGMUX输入和软件触发。BCTU具有多个并行转换功能，可以同时触发3个ADC同时进行转化，使用eMIOS同时触发ADC的框图如图4所示：

图4 BCTU同时触发多个ADC

并且，BCTU还具有对ADC通道有重复触发的功能，支持单个通道转化多次、单个触发产生一连串的转化、以及转化过程中暂停，等另一个触发过来再转化等功能，同时每个ADC具有两个FIFO来缓存ADC转化结果。

应用场景

如图5所示是S32K3xx外设硬件对带霍尔传感器的无刷直流电机BLDC的控制框图。

图5 S32K3xx对BLDC的控制框图

图中①路径是通过“eMIOS-TRGMUX-LCU”输出六路三相PWM，从而给到三相无刷电机预驱动器对电机进行控制；

图中②路径是通过“TRGMUX-LCU-TRGMUX-eMIOS”获取霍尔传感器的速度，通过TRGMUX和LCU结合，实现了根据霍尔信号硬件自动换向的，无需内核的干预。
图中③路径是通过“eMIOS-BCTU-ADC”或者eMIOS重装载时通过“EMIOS-TRGMUX-BCTU-ADC”触发ADC采集外部电压。

S32K3 MCU系列结合了强大的安全架构和多种硬件安全机制，以及广泛的安全软件、文档和技术支持。

安全即标准要求

功能安全过去主要专注于车辆动力系统（如制动、底盘和动力系统控制），现已扩展到整个车辆应用范围，从车身控制模块和电池管理系统（BMS）到区域和电机控制ECU全覆盖。其中的核心是MCU作为主用安全和应用处理器或作为安全配套IC的作用。

为了满足这一不断增长的市场需求，恩智浦创建了基于Arm Cortex-M7的32位S32K3 MCU系列，该系列产品具备强大的硬件安全功能和定制的安全软件，可用于汽车和工业设计。

设计安全

与许多恩智浦汽车处理器一样，S32K3 MCU系列是按照恩智浦汽车BCaM7开发流程（获得了TÜV SÜD认证）开发的safety element out of context (SEooC)，其开发符合多项安全标准，其中包括IATF 16949（用于汽车质量管理体系）和ISO 26262（适用于在产车辆电气和/或电子系统的基于风险的安全标准，源自IEC 61508标准）。

该流程基于策略、角色和责任、程序、模板、检查清单和工具的最佳实践，并应用于CMMI成熟度阶段来提高总体性能。BCaM7开发流程有助于避免系统性故障。

硬件安全

S32K3 MCU面向ASIL D级应用，其安全架构涵盖电源、时钟、复位、中央处理器（CPU）、互连、内存（包括内部闪存和RAM）以及多个外围模块。它们共同促进了安全可靠的外部通信，同时支持实时应用程序。有多种安全措施监测MCU的不同功能，包括电源监测、 时钟和锁步内核监测、内置看门狗、 内存访问保护、 内存ECC、片上闪存的阵列完整性自检、 互连端到端保护和循环冗余校验。其中大部分是在片上硬件中实现的，有助于降低系统集成商的物料成本。

恩智浦半导体（NXP Semiconductors N.V.，纳斯达克股票代码：NXPI）发布的实时驱动程序（RTD）软件，为带有Arm® Cortex®-M或Cortex-R52内核的所有S32汽车处理器提供支持，恩智浦履行承诺，解决了汽车软件开发的成本和复杂性问题。RTD是S32软件支持平台中的多个新产品之一，通过一系列旨在简化AUTOSAR和非AUTOSAR应用开发的生产级安全合规型软件驱动程序，为新推出的S32K3和现有S32K1/S32G系列提供支持。使用通用代码库和软件API有助于最大程度提高处理器平台之间的软件重复利用率，而在芯片价格中包含生产许可费能够扩大大众市场开发人员对AUTOSAR的访问。

随着现代汽车向软件定义的车辆过渡，汽车软件已成为开发工作中的主要挑战。S32K3 MCU软件产品可帮助客户应对这一挑战，同时受益于S32汽车平台的通用架构和高级功能安全与保护。

软件包括：

• 适用于AUTOSAR的高级接口；适用于非AUTOSAR的低级接口

• 符合ISO 26262安全标准，最高达到ASIL D级

• AUTOSAR 4.4，包括多核与安全支持

• 通过AUTOSAR标准和复杂的设备驱动程序，实现全面的IP覆盖

• 可使用恩智浦的S32配置工具或AUTOSAR合作伙伴工具链进行配置

RTD也已扩展到顺利应用的S32K1 MCU系列，在128 KB至8 MB、32引脚至289引脚的整个S32K产品组合中提供软件可移植性。S32K3 MCU的其他免费软件包括旨在预测未来OEM要求的硬件安全引擎（HSE）固件，以及用于在多核/操作系统中管理通信与资源的中间件——平台间通信框架（IPCF）。全新的安全软件框架（SAF）已取得许可，可供使用，其中包含故障检测和反应机制的安全库，为ISO 26262合规性奠定了基础。