专栏名称: NE时代新能源

聚焦新能源汽车三电及整车的技术、市场分析

集成式热管理的两个关键，驱动和控制

NE时代新能源 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-11 07:00

正文

在NE时代早期文章《新能源汽车热管理发展趋势》中，阐述过新能源汽车中集成式热管理的作用及其升级路径。总结来看，热管理的升级可以分为三个阶段，即独立热管理方案、冷却液侧或冷媒侧单独集成方案、全集成热管理方案。对应的，热管理系统实现功能更加丰富，效率得到有效提升，对PTC的依赖降低。

如今，全集成式热管理已经成为电动汽车的标准配置，即将冷却液侧多通阀与冷媒侧阀岛实现集成，在打通电池、电机、座舱空调所有水回路的同时，配合热泵空调充分利用整车余热，实现模块化、集成化的同时提升效率，降低能耗。目前全集成方案已经成为各家整车企业宣传的重点。

在该方案的推动下，整车热管理可以分为前端散热模块、座舱热管理模块、动力电池热管理模块、电驱动热管理模块，彼此通过水路均可以实现余热交换。部分高阶智驾控制器、OBC中也需要提供散热，通常串联在电驱热管理模块中。

虽然方案思路有所类似，但各企业以及各车型的平台热管理方案均有所不同。主要是由两方面的原因导致的，一个是执行电机类型及数量不同，二是控制架构的差异。

01.

多通道、集成SoC，驱动芯片也在集成

热管理的执行器部件主要包括多通道水阀（EWV）、电子水泵（EWP）、截止阀（SOV）、电子膨胀阀（EXV）。对应的驱动方式也有所差异。主要包括有刷直流电机（BDC）、无刷直流电机（步进电机和BLDC电机）。

多通道水阀目前主要有两种驱动方式，电磁式多通阀方案和电机式多通阀方案。当前国内电机式多通阀方案占据绝对主流，即采用旋转阀芯来实现多通道驱动，电机类型为BDC电机。

多通阀结构图，图源：网络

差异部分来自于通道数量，根据NE时代数据统计，三通/四通阀/五通阀是当前市场的主流，通过多个多通阀组合实现更高的通道数要求。目前仅部分企业直接采用八通阀，典型如特斯拉。

BDC电机驱动电路为典型的H桥驱动，结构比较成熟。在芯片选型时通常只需要考虑电流是否满足要求。

BDC电机驱动电路，图源：网络

如纳芯微NSD731x系列便是面向大电流BDC电机需求的驱动芯片，结构包括一个H桥和电流检测，故障检测以及SPI配置功能等，其中NSD7312峰值电流可达3.6A，导通电阻为520m Ohm HS + LS。

纳芯微 NSD73 1 2 系列功能框图，图源：纳芯微

并且NSD7312支持PWM电流调制功能，也就意味着在电机启动过程中，负载出现较大电容或堵转时，能够可有效减小峰值电流，降低由于过大瞬态电流而对系统造成的冲击。

电流调制与堵转电流脉冲，图源：纳芯微

在新能源汽车应用中，由于当前主流还是以多个多通阀的组合方案为主，因此驱动芯片选择上主要体现为集成化方向。即单颗芯片驱动多个多通阀。

目前常见的多通道驱动芯片主要包括6，8，10，12通道的半桥驱动产品。除了可以同时驱动多个多通阀外，多通道集成优势还在于可以灵活组合驱动部件，比如采用双通道可以实现BDC电机的驱动，采用四通道可以实现步进电机驱动，采用单独高边或者低边可以实现电磁阀的驱动等等。通道数越多，驱动的部件和驱动的方式选择也就更多，方案灵活性也更高。但要求驱动芯片能够单独控制执行器，避免干扰。

典型的如纳芯微NSD8308，其是一款8通道驱动芯片，内部集成了8个半桥，峰值驱动电流为1.3A。可以支持多个电机同时、顺序或者并行模式运行，并支持正转、反转、慢速衰减和快速衰减操作。此外NSD8308内部还配置有8个PWM发生器，每个PWM发生器提供4种PWM频率选项，分别为80、100、200、2000Hz和8位分辨率的占空比（1/255，约0.4%），用于负载电流的调制。

纳芯微NSD8308功能框图

电子膨胀阀是用在冷媒回路中，主要有两种技术类型，电磁式电子膨胀阀和电动式电子膨胀阀。在新能源汽车应用中，当前市场的主流应用是电动式电子膨胀阀。电磁式结构更多的用于截止阀中。

电动式电子膨胀阀的电机技术类型主要有两种，脉宽式（PWM）驱动和步进电机驱动。在驱动芯片层面，通常两种驱动可以通用，因此本文更多以步进电机驱动方式来展开。

除了电子膨胀阀外，随着冷媒侧的深度集成，冷媒阀也呈现集成化趋势。典型的方案是采用冷媒多通阀以替代多个截止阀和单向阀的应用。驱动方式采用一个步进电机，在开发过程中也可以实现与电子膨胀阀共平台开发。

两位三通冷媒阀，来源：海力达

从电路结构上，步进电机驱动与上述BDC电机驱动便存在差异。步进电机驱动需要4路半桥，而BDC仅需要两路。

步进电机驱动电路，图源：网络

因此如纳芯微NSD8308拥有8通道，因此从通道数量上是可以满足步进电机驱动的。但步进电机相比BDC电机而言，其精度要求更高，因此通常需要在驱动芯片内集成细分器以提升控制精度。

步进电机结构，图源：纳芯微

如纳芯微NSD8381便是一款面向汽车级高精度两相双极步进电机专用驱动芯片，内置4个半桥。支持最大1.35A满量程电流，包括电流斩波调节，最高1/32微步转换器和多种衰减模式选择使步进电机平稳运动。

纳芯微NSD8381功能框图

电子水泵目前均采用BLDC驱动，其电路结构为3个半桥驱动。与BDC和步进电机不同，BLDC的难点主要在控制部分。因此BLDC芯片的种类也主要有两种，一种是单独的BLDC驱动芯片，另外一种是集成控制BLDC驱动芯片。与上述BDC电机驱动芯片类似，BLDC驱动芯片在选型时更多考虑驱动电机所需的电流能力即可。因此本文重点基于集成控制BLDC驱动芯片来展开。

BLDC电机驱动电路，图源：网络

纳芯微在2023年初发布了其首款集成式SoC：NSUC1610，即面向该领域来开发。

在集成方式上，NSUC1610采用了内核为Cortex M3的处理器，并且集成了预驱功能。此外还集成了LIN总线物理层、小功率MOS管阵列、DAC以及双路温度传感器，可以由12V直接供电，并支持40V短时过压承受。

具体配置来看，NSUC1610拥有4个半桥，驱动电流达到1A（500mOhm的Rdson），集成对应的门级驱动和上管驱动所需要的电荷泵电源。拥有4线制LIN总线，接口满足±40V过反压耐压要求。NSUC1610集成的4路半桥，可以精准控制步进电机，最高支持到128微步细分控制。

此外，NSUC1610支持12V的GPIO接口，可以实现PWM控制。双路温度传感器分别为位于功率侧做过温热关断和位于低压侧做芯片温度检测。满足最高级车规认证标准，即Grade 0，对应的温度区间为-40°C-150°C，为此NSUC1610自身的结温达到175°C。在EMC方面，可以实现CISPR25 class 5标准要求。

纳芯微NSUC1610功能框图

除上述介绍的执行部件外，散热器部分的风扇电机、主动进气格栅控制电机，HVAC侧的鼓风电机同样属于热管理版块。在实际应用中，可根据实际的电机类型和位置选择合适的芯片方案。当前由于域控制器架构的影响，更倾向采用类似NSUC1610控制与驱动集成的方案。

除上述提到的驱动芯片外，在热管理控制中还包括ADC芯片，负责采集温度传感器和液位传感器的信号。通信方面，主控制器需要的带宽比较高，通常为CAN通信，主控制器与电机之间则通常LIN或者PWM通信。相比于驱动，通信和传感器芯片与其他领域复用程度较高，均可按照自己的需求来灵活组合。

02.

控制器方案，E/E架构说了算

另外对热管理方案影响较大的是整车电子电气架构方案，主要影响的热管理的控制方式。

根据控制与驱动位置的不同，大体可以分为三类。一是控制、驱动均布置在域控制器中。二是拥有独立的热管理控制器，控制和驱动灵活布置。三是控制布置在域控制器中，驱动布置在本地。

控制、驱动均集成在域控制器中以特斯拉最具代表性。该方案的优点是热管理控制器数量减少，除马达驱动IC外，包括电源芯片、通讯芯片、MCU等都可以与域控制器共用，方便开发以及后期OTA。但缺点也很明显，无法有效扩展至不同平台的车型中。

对应到芯片需求方面，更倾向驱动芯片本身，而非集成控制的SoC。此外，该方案也更倾向采用多通道驱动芯片，以节省电路板面积。

由于驱动IC集成在域控制器中，与电机之间的连接也会发生改变。域控制器直接采用SPI和IO口（PWM）控制电机，而非常见的LIN协议。因此，如果距离电机较远的话，会产生电磁干扰问题。

这就要求域控制器布置与电机距离要有所限制，需控制线束长度。以特斯拉为例，为了限制驱动线束的长度，热管理相关控制分布在三个车身域控制器中。其中阀体相关的驱动IC更多的在前车身域控制器中。鼓风机电机的驱动则集成在左车身域控制器中。以实现负载的就近驱动。

第二种方案是控制器和驱动均在本地布置，热管理控制为单独的控制器，目前tier1更支持该方案。

该方案优势在于热管理控制器独立于域控制器之外，可以兼容不同类型的电子电气架构，能在较短的时间内实现集成式热管理方案的布置。

第三种是控制集成在域控制中，驱动布置在本地。该方案为目前采用较多的方案，也是变化最为多样的方案。如比亚迪、蔚来、理想、小鹏等均采用该方案。与上述两种方案不同的是，该方案只是将热管理策略控制集成在域控制器中，但驱动独立，同时不设单独的热管理控制器，而是与电机集成在一起。

该方案最大的特点是兼顾了电子电气架构平台化的特点同时不失灵活性的优势。但芯片数量相比两者会有所增加，同时对芯片的侧重性要求也会有所差异。

在驱动芯片选择方面，第二种方案介于第一种方案和第三种方案之间。主要影响来自于MCU性能的选型，如果选择性能较强的MCU产品，即意味着控制可以集成在一颗MCU中实现，驱动方案的选择与第一种方案类似，仅需要单纯的确定驱动芯片即可。如果MCU性能不足以覆盖全部功能，则会采用与第三种方案类似的思路，即在驱动方面选用集成式SoC的方式作为补充。

除此之外，是否采用集成还与芯片的类型有关。如BDC驱动、步进电机驱动更倾向集成在域控制器内，BLDC驱动则更倾向于本地布置，与水泵集成。当然，当下的方案还是更多以本地布置为主。

上文提到的纳芯微NSUC1610的主要应用场景便是主要面向本地化控制驱动集成。如电子水阀和电子膨胀阀应用中与阀类实现集成，在主动进气格栅中与AGS实现集成，在HVAC控制中，与风门电机集成等等。

但NSUC1610的峰值电流为1A，如果所需的驱动电流大于这一数值，则需要重新选型。

针对大电流需求场景，也可以通过集成式SoC加单独功率器件MOSFET的方式来实现。

据悉纳芯微即将发布的NSUC1602便重点面向该方案开发。与NSUC1610类似，NSUC1602同样采用Cortex M3内核，可以支持包括FOC矢量控制或无感六步换相控制在内的高级别的电机控制算法。同样集成了电源以及LIN通讯芯片，不同的是，NSUC1602仅集成三相预驱电路，并未集成MOSFET电路。在实际应用中仅需要根据电机功率要求选择合适的功率器件MOSFET与之搭配即可实现大功率输出。

03.

未来：技术升级、价值流改变

集成式热管理的两个关键，驱动和控制

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