单芯片TMS域控方案，热管理应用新趋势

本文导读

新能源汽车因驱动原理的不同，从根本上促进了整车热管理系统的升级变革。立功科技推出全面升级的热管理域控制器TMS方案，完美适配新能源车热管理系统集成度高，控制逻辑复杂的特点。   热管理系统在新能源汽车上是至关重要的一个组成部分。它们通过各种传感器、控制模块和降温设备，确保汽车在一个安全和稳定的温度范围内运行，并且提高整个系统的效率和寿命。  

高集成热管理域控制器的优势及趋势

  1.1 趋势

高度集成化是热管理未来发展核心。通过对比新能源车代表车型特斯拉Model S到Model Y的热管理发展过程，观察热管理系统的集成高效化演变。 第一代热管理系统：电池采用风冷或液冷、空调采用PTC制热、电驱系统采用液冷，三个回路间基本保持并联，相互独立运行；第二代热管理系统：电池液冷、PTC制热，电机电控液冷，开始结合热泵技术，系统间串联程度加深，零部件集成化；第三代热管理系统：热泵空调制热全面取代PTC制热，应用电机堵转加热回收技术，使用更多通断阀使系统相互串联，回路复杂且进一步高度集成。

图1 汽车热管理组成框架

1.2 优势

从热管理系统的演变过程可以看出热管理的发展即是零部件集成化，能量利用高效化的过程。在零部件集成的同时，集成热管理域控制器有以下优势：

1. 提高系统效率；

2. 降低成本；

3. 小型化；

4. 更高的可靠性；

5. 更好的用户体验。  

热管理电机应用

热管理系统升级背景下，立功科技推出新一代热管理域控制器方案，完美适配新能源车快速发展的热管理系统。立功科技基于NXP汽车级S32K324双核高性能通用微控制器，支持多路温度、PWM控制信号采集；支持同时控制三个三相直流无刷电机，一个大功率直流有刷伺服电机，五个小功率直流有刷伺服电机和三个步进电机，下面分别介绍各类电机在热管理系统中的实际应用。

2.1 步进电机

步进电机在热管理系统中一般用在空调出风口，因空调出风口控制精度要求不严格，故步进电机采用开环控制。立功科技Demo在开环控制中进一步优化采用控制更加精细的微步开环控制。如下图2所示，微步控制是一种高精度、高分辨率的控制方式，原理是通过打开和关闭两个绕组并逐步改变两个绕组的电流比，以基本步距角更精细的微步距角去旋转。

图2 步进电机控制图

2.2 直流有刷伺服电机

汽车自动空调的恒温、模式等功能都是通过直流有刷伺服电机驱动，又称为风门电机。直流有刷伺服电机具有体积小、可靠性高、技术发展成熟维护方便等优势，在汽车空调中广泛采用直流伺服电机来驱动空调风门，在空调中根据应用可分为冷暖风门电机、模式风门电机及内外循环风门电机三大类。

下图3是三类电机的功能图。冷暖风门电机用于调节流过蒸发器的冷风和暖风芯体热风的比例，从而调节出风口温度；模式风门电机用于切换空调的出风口模式，一般包括吹脸、吹脚、除霜等模式，可根据用户使用需求进行自动切换；内外循环风门电机用于调节汽车空调的内外循环。



图3 风门电机功能图

2.3 直流无刷电机

直流无刷电机效率高，控制精细，寿命长，噪音小，但控制相对复杂，主要应用在热管理系统中的电子水泵、散热鼓风机、电池水泵、多通阀和更高端车型的电子油泵。 电子水泵可以精确控制每个散热回路，让冷却液流动起来。燃油车是使用发动机轴的旋转来带动机械水泵，而电动汽车由于更高级的冷却需求和电机轴转速解耦，因此使用电子水泵，满足更精确的温度控制需求。 有些多通阀的阀芯也是由直流无刷电机带大减速比的旋转来实现回路的切换。水泵是一直旋转，水阀只需要转到指定位置即可停止转动。多通阀通常采用位置闭环来控制。

立功科技Demo支持同时三个PWM控制或LIN控制的直流无刷电机控制，使用磁场定向矢量FOC控制，控制更精确，效率更高。支持完善的故障保护功能。

立功科技TMS热管理电机控制板

立功科技TMS热管理域控制器方案使用NXP S32K3系列做主控制器，双核Cortex-M7，主频高达160MHZ。支持多路PWM控制，完美满足热管理系统中多个无刷电机、有刷电机和步进电机同时控制的需求；热管理系统需要采集多个位置的温度信息来形成温度控制闭环，S32K3支持多路ADC模拟采集，具有灵活的ADC触发配置，非常适合汽车热管理系统新需求。

立功科技TMS热管理域控制器方案三个无刷电机控制均采用无感FOC速度电流双闭环矢量控制，效率高达95%以上，转矩保持最高的同时运转平滑稳定，对负载突变有良好的抗干扰性能。

立功科技S32K3多电机控制方案优势

图4 系统控制框图

功能特性：

支持三个BLDC的无感FOC速度电流双闭环控制；

针对热管理系统支持多路温度、电压电流采集；

支持多路直流有刷电机有感位置控制；

支持多路步进电机微步控制；

支持多路High Side阀门控制；

完善的保护功能，过压欠压，过流、限流、堵转、过温、缺相保护等；

上位机FreeMASTER已适配，三电机独立配置界面。

优势亮点：

控制效率高，极大提高热量的能量利用效率；

器件集成化，极大精简电子系统布局；

大幅减少MCU、线束等数量，降低车辆生产成本；

多个系统集成，方便系统管理；

响应速度快，增强安全性。

多电机控制视频

新能源汽车架构的革新使得热管理更为复杂，新能源汽车上需要同时兼顾电池寿命和整车稳定安全，热管理的性能优劣成为决定电车产品力的关键指标。随着新能源汽车的快速发展与新技术的出现，车载热管理系统正面临更为严峻的挑战。立功科技可提供全新升级的TMS多电机控制方案，助力您在热管理赛道上实现弯道超车。