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随着汽车电子化的程度加速渗透，汽车所需的MCU数量不断提升，车规级MCU的技术和应用都得到了长足的发展。从内燃机到现代电气化应用，汽车MCU的竞争日趋激烈。
日前，恩智浦半导体（NXP）宣布两款重要产品：S32K39系列汽车MCU，针对电动汽车（EV）控制应用进行了优化；同时，还有AI驱动的电动汽车云连接电池管理系统，可通过数字孪生云端模型提高电动汽车的电池续航里程、能效、安全性和使用寿命。
高性能S32K39支持新一代电气化应用
NXP最新推出的S32K39 高性能MCU，专为实现电动汽车(EV)牵引逆变器的智能、高精度控制而进行了优化，可将电动汽车电池的直流电转换为交流电，驱动现代化牵引电机。多功能架构除了适用于牵引逆变器控制，也适合许多其他电动汽车应用，包括电池管理(BMS)、车载充电(OBC)和DC/DC转换。此外，还支持硬件隔离、时间敏感网络和高级加密，已为支持软件定义汽车和区域架构做好充分准备。
该系列MCU既支持传统的绝缘栅极双极性晶体管（IGBT），也支持新推出的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术。据了解，S32K39高性能MCU通过双200 kHz控制环路提高能效，逆变器体积更小、更轻、更高效，行驶里程更长。该系列可控制六相电机，提高功率密度和容错性，保持长期高可靠性。此外，该系列搭载安全ASIL D软解码以及集成正弦波生成器与Σ-ΔADC，消除了对外部组件的需要，从而降低系统成本。与恩智浦S32E实时处理器结合使用时，S32K39还允许灵活地控制多达4个牵引逆变器，并且能够为采用该配置的4轮驱动电动汽车实施高级牵引功能。
事实上，NXP推出S32K3系列已经有一年时间了，主要针对通用电机控制应用，不过，S32K39系列则针对于牵引的电机控制。对此，NXP车辆控制和网络解决方案全球营销总监Brian Carlson强调，“S32K39的创新之处在于它可以控制两个牵引逆变器，并且都可以在200 kHz的环路下进行控制。通常，一个MCU只能控制一个逆变器，而且通常控制环范围是50kHz~100kHz，S32K39控制两台电机且保持在200KHz的水平上，可以说是极大的性能提升。”
总体来说，S32K39系列微控制器是集性能、集成、网络、信息安全和功能安全于一体的产品，通过时间敏感网络(TSN)以太网支持边缘智能驱动应用。在这个过程中，通过模拟外设集成显著地降低系统成本，实现了最高的ASIL D安全等级。所有新引入的功能，包括软件定义汽车需求等，能够在整体上更好地帮助提升电动车的性能。
“传统的MCU通常服务于内燃机时代的汽车，但电动车有着属于自己的独特需求：第一，对性能、效率和续航里程的要求越来越高；第二，更高等级的功能安全；第三，更高的可靠性和可获得性，比如共享出行、自动驾驶出租车等新兴应用场景所带来的需求；第四，车厂需要电机具备可扩展性；第五，新的区域车辆架构设计，以及车辆总成本的控制”，Brian Carlson指出，“S32K39的诞生正是为了满足电动汽车市场的新趋势，希望可以满足新型车辆的需求“。
软件支持方面，NXP为S32K39提供了完整的部件、操作系统中间件、电机控制、电机演示功能等的软件支持，还有电机控制应用调整功能(MCAT)、S32设计工作室(S32DS)、S32配置工具(S32CT)等工具。
在系统层面，S32K39可与安全系统基础芯片(SBC)FS26、具备可调节动态栅极强度控制的先进高压隔离栅极驱动器GD3162结合使用，实现安全的逆变器控制系统。或者与NXP S32E/S32Z实时处理器结合使用，通过CAN或者以太网通信实现结点侧的智能驱动，也可以与S32Z/E被布置在同一个ECU中，通过Zipwire总线进行通信，为车厂带来高度灵活性。
由AI驱动的电动汽车云连接电池管理系统
电池是电动汽车中最为昂贵的组件，由AI驱动的数字孪生云服务拥有巨大的潜在优势。由于运行条件的变化可能导致电池健康状态的持续变化，而电池数字孪生模型可适应这种持续变化，并向BMS反馈数据更新，从而持续改进控制决策，改善对电池健康状态（SOH）和充电状态（SOC）的估算，继而提高能效、延长使用寿命、降低成本。
NXP新开发的解决方案可通过S32G GoldBox汽车网络参考设计，将其高压电池管理系统（HVBMS）连接到云端，以利用AI驱动的电池数字孪生模型。NXP的GoldBox可为基于云的数据驱动型汽车服务提供安全的高性能计算能力和实时网络性能，以及安全的云连接。
据了解，这款AI驱动的电池数字孪生解决方案，由NXP与Electra Vehicles公司合作开发，方案中包含高精度的传感器、BMS的实时闭环控制以及与预测算法相结合的网络连接，具备一定的性能优势。通过Electra Vehicles公司的EVE-Ai 360度自适应控制技术，能够激发云端数字孪生模型的潜在优势，实现更优物理BMS实时预测和管理，提升电池性能，改善电池健康状态（提升高达12%），并支持多种全新应用（例如电动汽车车队管理）。
汽车厂商可以使用该技术来提供驾驶员分析，例如剩余里程或速度建议等。除此之外，自适应电池控制还可以改善电池性能，并安全地延长其使用寿命，为车厂降低保修成本。该技术的另一个潜在应用是电动汽车车队管理，可为车队运营商提供重要的使用情况分析，例如汽车充电时间和电池预测诊断等。此外，有了这些深度信息，电池维护中心可以实现快速诊断，减少停机时间，电动汽车充电站运营商可以有效地优化充电服务，提高能源效率。
对于将HVBMS连接到云端并引入AI驱动电池模型这一做法，NXP电池管理系统总监兼部门经理Andreas Schlapka博士认为，“车辆的连接性如今有了非常大的提升，很多车辆的软件更新基本上都是通过云端或无线网络。在云端生成一台车或是整个车队的数字孪生，这一方面是因为OEM汽车厂商的需求，他们需要了解车辆的情况；另一方面，一些国家和政府对数据有监管要求，比如在云端、在本地所存储数据会有最低要求，欧盟甚至还有电动车‘电池护照’概念。这是业界未来标准的一个实践，它能提升电动车行驶的里程，可以更好地增强电动车电池的健康状态和充电的状态。”
中国车规级MCU未来走向？
随着中国新能源汽车市场的不断发展，车规级MCU未来的技术趋势将如何演进？
Brian Carlson表示， 电动汽车增速迅猛，特别是在中国市场，比过去预计的要快得多，基于中国消费者的热情，预计这种趋势将得以持续。他分享了一组数据：2022年新能源车销售500万辆以上，占比已经达到20%，到2030年将达到60%。中国汽车出口预计将呈现增长趋势，尤其是在2035年欧洲将淘汰内燃机汽车的背景下。
恩智浦半导体大中华区资深市场经理余辰杰补充说，目前中国领先的新能源车企有两个显著的特点：一是非常注重几大域控制器的自研，包括智驾、座舱和动力域；二是对电子电气架构的演进比较关注。综合这两个特点，他认为ASIL-D功能安全等级、HSE加密引擎，和丰富的网络接口能力将是域控制器MCU的必选项，而超高实时算力和硬件支撑的虚拟化机制也将逐渐成为主流。同时，在电子电气架构的边缘测(执行器端)，像S32K39这种带驱动能力的高集成度MCU将成为首选。
在市场供需方面，结合当下部分车用芯片供应仍然比较紧张的现状，Brain Carlson表示，确实不同领域面临着不同的短缺情况，NXP在内部以及外部工厂，也观察到了这些情况。NXP不断尝试通过技术上的优势去解决供应紧缺的问题，并且不论是内部还是外部工厂，都在满负荷地生产芯片。
“确实供需关系现在可能处于需求大于供应的状态”，Brain Carlson指出，“但也正是在这样的市场情况下，让汽车厂商和半导体厂商形成了更为紧密、高效的合作关系。半导体厂商更多了解到了汽车厂商的需求，汽车厂商也更加了解半导体厂商在芯片生产制造中的具体情况，而这种紧密的合作其实非常有利于整个汽车行业的发展。”
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