技术干货丨开发高效的电动汽车多合一集成系统

Yuna Hayashi

Engineer, Application Engineering

近期CO2排放法规的收紧，正以前所未有的速度推动汽车电气化进程。随着全球汽车市场从混合动力车向纯电动汽车（EV）的转变，汽车制造商对更高效、更安全、更可靠的系统提出了更高要求。系统集成，即“多合一”，成为关注的焦点。这一创新概念将传统上由独立MCU控制的功能，如逆变器、车载充电器（OBC）、DC/DC 转换器和电池管理系统（BMS），整合到一个微控制器（MCU）中，从而同时实现微型化、成本降低和效率提升。随着电动汽车的发展，对这种将多个应用整合到单一MCU的多合一配置需求也在不断增长。

这种多合一方案的核心为瑞萨RH850/U2B MCU。这款新一代MCU将电动汽车所需的先进控制、功能安全和安全防护集成在单芯片上。它配备了高性能CPU，最多支持六核，最高运行频率为400MHz，且支持实时控制和并行处理。它还为逆变器和电力转换器应用提供了全面的模拟和定时功能，使整个电气化系统能够在单芯片上进行高效控制。此外，RH850/U2B MCU提供了丰富的内存阵容，可针对特定需求灵活构建更优化的多合一系统。

RH850/U2B MCU产品卡片

https://www.renesas.cn/zh/products/rh850-u2b

图1：多合一集成前后MCU配置比较

RH850/U2B MCU在逆变器控制方面展现出压倒性的优势，最大限度提升了电动汽车的驾驶性能。这款MCU配备了专门针对逆变器控制优化的硬件，包括旋变数字转换器*1（RDC）、模数转换器（ADC）以及三相电机定时器，实现了硬件层面的高速、高精度控制，这是软件无法实现的。其集成的RDC消除了对外部角度检测IC的需求，有助于减少元件数量并简化电路板设计。此外，内置的瑞萨专有增强型电机控制单元（EMU），可通过硬件执行复杂的控制计算，在实现高速高精度电机控制的同时，显著降低CPU负载（EMU仅搭载在RH850/U2B6中）。

图2：外部RDC与内部RDC的比较

使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的新一代功率器件，正越来越多地被用于OBC和DC/DC转换器中。这些设备实现了高效和快速切换，直接缩短了充电时间并提高能源效率。另一方面，RH850/U2B MCU集成了多功能定时器（通用定时模块（GTM）*2和高分辨率PWM），能够生成高速、高分辨率的波形（最低分辨率为156.25ps），这有助于利用SiC和GaN高速开关特性进行精准控制。同时内置12位快速比较器，用于高频开关控制和保护操作。

除了速度和能效之外，RH850/U2B MCU在电动汽车的核心——电池管理系统中也表现出色。监测和控制数百个电池单元的电压和温度需要强大的处理能力。RH850/U2B MCU采用多核CPU架构，可将闲置资源分配给BMS处理。这使得系统微型化和成本降低成为可能，无需额外增加MCU。

随着电动汽车的普及，功能安全与信息防护的重要性愈发凸显。RH850/U2B MCU符合ISO 26262 ASIL D标准，可确保硬件层面的功能安全。此外还集成了符合EVITA Full的安全特性，即使在多合一配置下，也能构建高度安全的系统。

电动汽车的发展正朝着更快、更安全、更高效的使用方向演进。实现这一目标需要满足传统MCU无法完全满足的新需求。RH850/U2B MCU通过以下方式助力用户应对电动汽车的各项需求：借助专用硬件实现高速、高精度逆变器控制；利用高分辨率、高速计时器实现在OBC和DC/DC转换器中的高效开关控制；在电池管理系统中实现多核协同处理；提供全面的功能安全与信息防护。