电动汽车

概述

最近发展起来的混合电动汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 在电机控制、能源转换和电池管理系统等方面实现了创新，提高了效率。但是，需要不断更新驱动这些系统的算法，进行设计修改以优化性能。

ASIC 开发周期太长，无法满足这些快速发展的市场需求，目前的微控制器 (MCU) 也不能跟上越来越高的性能要求。英特尔® FPGA 为绝缘栅极双极晶体管 (IGBT) 桥接保护提供硬件失效安全逻辑，我们基于模型的面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 设计流程实现了高效的电机控制，通过高速控制环硬件加速功能提高了电机的能效和可靠性，降低了噪声。

您可以在需要 DSP 的任何地方使用 FPGA 或 CPLD 来提高系统性能，例如：板载充电器、牵引逆变器、直流/直流转换器、电机控制系统和电池管理系统。

为帮助您大幅度缩短产品面市时间，提高效能，我们提供了各种 IP 和工具。我们的电机控制 IP 包括脉冲宽度调制 (PWM)、模数转换器 (ADC)，以及数字编码器接口等，还集成了可定制现场定位控制 (FOC) 参考设计。  

HEV/EV 系统

在 HEV/EV 应用中采用英特尔® FPGA 的优势

性能提高：

  • 更严格的控制环，更快的开关速度，以提高效率
  • 连续算法改进，以实现更好的性能

突出优势同时降低成本：

  • 在基于模型的设计方法中采用定制算法，以便获得更好的驾驶感觉，提高效率
  • 将功能集成到更少的组件中

较长的产品生命周期和功能安全

  • 15 年以上的产品生命周期
  • 建立业务连续性计划 (BCP)
  • 2010 年开始功能安全支持 

FPGA 使用案例

突出优势同时降低成本

  • 在汽车系统设计中减小每一组件的体积和重量非常重要，因为这直接影响了车辆燃油效率和成本。
  • 英特尔® FPGA 支持在 DC/DC 转换应用中实现更快的开关频率 (50 kHz)，从而可以采用更小、更轻、效率更高的电机和外部组件。通过将设计从传统的 MCU 移植到 FPGA 中，开关频率能够提高 5 倍，无源组件的体积减小了 5 倍（电感和电容）。
  • 在电机控制中，更快的开关频率支持实现微秒量级的电机控制环更新时间，只有这样，通过使用更小、更快的旋转电机才能满足业界降低系统成本和重量的要求。

电机逆变器和 DC/DC 转换器系统

通用的设计流程

面向硬件工程师：

对于 FPGA 和 CPLD 设计，我们的英特尔® Quartus® Prime 设计软件在性能和效能上是可编程逻辑业界首屈一指的软件。使用这一工具，您可以加速设计，缩短编译时间，采用 Platform Designer 自动生成互联逻辑，通过功耗分析器优化功耗。我们免费、不需要许可的英特尔® Quartus® Prime 网络版软件支持汽车级 FPGA 和 CPLD 的设计。

英特尔及其 IP 合作伙伴为我们的设备提供了多种现成、可配置的优化 IP 内核。

面向算法工程师：

我们提供基于模型的设计流程，简化了您的设计投入，不需要您在 VHDL 或者 Verilog 中开发自己的算法。我们的面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 开发工具可缩短您的算法设计周期，使您能够在 MathWorks* MATLAB*/Simulink* 环境中设计您的 DSP 算法。它生成寄存器传送级 (RTL) 代码，很容易集成到我们的设计环境中。您可以对系统进行建模和仿真，在硬件中实现复杂算法，划分硬件/软件单元，精确的调整性能，以满足您的应用需求。

面向软件工程师：

一旦您为自己的嵌入式系统选择了合适的处理器，就可以采用我们的英特尔® SoC FPGA 嵌入式开发套件 (SoC EDS) 迅速开始软件开发。

SoC EDS 是在英特尔 SoC 设备上进行嵌入式软件开发的全面工具套件。它包括开发工具、实用工具程序、运行时软件，以及应用实例，帮助您迅速开始 SoC 嵌入式系统的固件和应用软件开发。

Nios® II 嵌入式设计套件 (EDS) 是为 Nios® II 软件设计提供的全面开发包。Nios® II EDS 不仅含有开发工具，而且还有软件、设备驱动程序、裸机硬件抽象层 (HAL) 库，以及商用级网络堆栈软件和评估版的实时操作系统。

电机逆变器

借助集成 FPGA 设计流程进行电机控制设计

本白皮书介绍了建议的设计流程，它利用英特尔® FPGA 的适应性、可变精度数字信号处理 (DSP) 和集成的系统级设计工具进行电机控制设计。电机驱动设备设计人员可以利用此设计流程的性能、集成和效率优势。

下载白皮书 ›

电机逆变器解决方案

如今，微控制器单元 (MCU) 控制着大部分电源电子设备，主要是因为 MCU 低成本，并且提供很高的集成程度。MCU 通常用 C 语言和汇编语言编程，适合以 MCU 能力范围内的速率顺序执行的算法。但是，基于 MCU 的传统系统的设计人员面临着新的挑战，因为他们的应用程序需要更快的采样率和更复杂的算法。 

FPGA 由于其高速、灵活性和集成设计工具等特性，在越来越多的高性能电源电子控制系统中得到了应用。这些设备由于其并行架构，并且能够在硬件中同时处理多个复杂的算法，因此，非常适合 EV 驱动系统应用，例如可调电压 DC/DC 转换器 (VVC) 和电机控制等。

 

FPGA 提供：

  • 更高的处理速度：在 FPGA 可编程硬件中，对算法进行加速和并行处理
  • 灵活的接口设计：例如，可以根据需要来增加并行模数转换器 (ADC) 接口和脉冲宽度调制 (PWM) 输出，以支持新的逆变器拓扑
  • 易于编程：主控制环代码可以保持为 C 语言，在硬核处理器或者软核处理器中运行。硬件加速代码可以是定点或者浮点，采用 C 或者 MATLAB/Simulink 编写
  • 易于集成：编码器/解析器、sigma-delta ADC，以及外部通信接口可以根据需要内置在 FPGA 架构中
  • 成本效益：可以减少部件数量，简化开发，需要时更新平台而且不会影响 PCB

采用基于模型的设计，通过 FPGA 进行 IPM 电机控制

英特尔开发了一款内部永磁 (IPM) 电机控制参考设计，支持直接扭矩和磁通量控制，在基于模型的设计 (MBD) 中，使用了空间矢量调制 (DTFC-SVM) 算法。仿真结果显示，与现场定位控制 (FOC) 算法相比，其扭矩波纹明显减小。而且由于使用了并行处理方法，在硬件中实现 FPGA 宽带控制环，因此，比基于 MCU 的 DTFC-SVM 控制有明显的优势。

扭矩波纹对比：

DTFC-SVM 面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 参考设计

面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 工具提供了 MathWorks 的 Simulink 设计模块，能够自动生成 HDL 代码。而且还支持工程师直接在 FPGA 中实现用于系统仿真的同样模型，因此，简化了设计过程。此外，设计人员在构建测试台或者系统仿真模型时，还可以利用丰富的电源电子组件库。

面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 设计流程

如需更多信息，请下载电动汽车和混合电动汽车动力电子系统采用基于 FPGA 的控制白皮书。

高频 DC/DC 转换器设计示例

为帮助您迅速开始开发，英特尔为混合 EV DC-DC 转换器（可调电压控制，即“VVC”）数字控制器以及面向英特尔® MAX® 10 FPGA、经过预定义的平台提供设计示例。电动汽车和混合电动汽车动力电子系统采用基于 FPGA 的控制白皮书中描述了架构和理论。

设计实例使用面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 高级模块集来仿真并合成 VHDL 控制。然后针对 BeMicro MAX 10 评估套件（由 Arrow Electronics 提供）实现 VHDL。

从英特尔设计商店下载设计示例 ›

基于模型的设计流程

  1. 从您自己的算法开始。
  2. 将算法作为 Matlab/Simulink 模型来实现。
  3. 对模型进行仿真。
  4. 采用高级模块集，在面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 中使用模型。
  5. 编译设计，并在目标 FPGA 中实现它（面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 会自动生成 VHDL 代码）。
  6. 验证结果与仿真相符。

 

面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 设计工具

面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 工具提供了 MathWorks 的 Simulink 设计模块，能够自动生成 HDL 代码。支持使用相同的模型来仿真系统，直接在 FPGA 中实现。还支持设计人员在构建测试台或者系统仿真模型时，利用丰富的电源电子组件库。

实现更高效的电源转换

提高开关速度帮助您减小了电感和电容值，实现了同样的电压和电流波纹。但是，更快的开关速度增大了晶体管开关损耗，需要更大的带宽，这对于使用 IGBT 的 MCU 系统而言是很大的挑战。

基于 FPGA 的高频可调电压 DC/DC 转换器 (VVC) 支持使用更小的低成本电抗组件，更多的使用高速开关碳化硅 (SiC) MOSFET。

FPGA 提供：

  • 高性价比：FPGA 支持使用更小的低成本电抗组件，以及高速开关碳化硅 (SiC) MOSFET。
  • 处理速度：在 FPGA 硬件中，对算法进行加速，还可以根据需要进行并行处理。
  • 可扩展：可以采用增强技术，例如多级转换器。
  • 功能安全：可以实现安全逻辑（例如，时钟检查器），作为故障安全设备来监视 MCU 状态。

对于相同的波纹电流和电压，开关频率提高了 5 倍，减小了电感值和电容值。这从而减小了体积，降低了成本。

对于基于 MCU 的解决方案，越来越大的带宽的确是个难题，特别是在一个处理器中实现多个功能的情况。FPGA 控制很容易满足带宽需求，即使要求多种功能在一个设备中实现。 

FPGA 系统优势：减小了系统体积、重量和成本

  1. 更小的无源设备，更快的响应
  2. 更少的组件
  3. 节省了成本、减小了重量和空间
  4. 未来不会过时（支持系统升级）

VVC 10 kHz 和 50 kHz 设计对比

项目

当前系统

下一代

体积减小

成本降低

电感 (L)

200 uH

40 uH

5 倍

200 美元至 100 美元

电容 (Chv)

2000 uF

400 uF

5 倍

300 美元至 100 美元

电容 (Clv)

400 uF

80 uF

5 倍

100 美元至 50 美元

IGBT 损耗

500 W

1100 W

-

-

SiC MOSFET 损耗

150 W

250 W

2 倍

成本更高，但是在下降
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BMS 参考设计

英特尔与比萨大学协作，发布了它的第一个电池管理系统 (BMS) 参考设计和应用说明。此参考设计演示了在一个系统回路模型中，在英特尔® MAX® 10 FPGA 上，FPGA 使用双扩展 Kalman 过滤器算法来估计充电状态 (SOC) 的复杂并行计算能力。通过将复杂的算法卸载到可编程硬件，释放剩余 CPU 资源来完成其它重要任务，它带来开发更智能的 BMS 以实施在线 SOC 测量方法的新可能性。

› 下载参考设计和应用说明

提高电池管理系统的智能化程度

电池是电动汽车中最昂贵的组件。由于驾驶里程主要由电池容量决定，因此，其成本直接影响了车辆的价值。电池需要更有效的管理，以最充分利用电池电芯中的能量，并防止对电池电芯造成电气损坏，这种损坏会缩短电池循环寿命。 

低成本的微控制器单元 (MCU) 足以应付基本控制功能，但是不断提高的电池电池数目和功能安全要求催生了改进控制方法和架构的需求，以满足系统成本和严格的安全标准。FPGA 是最适合用于克服这些设计挑战的解决方案。

FPGA 提供：

  • 性能提高：更快地并行运行更先进的算法以提高性能
  • 系统成本降低：集成多个组件，通过多个串行接口监控更多模块/单元
  • 可扩展性：支持当前 MCU 上没有的最先进的接口协议
  • 安全：实施硬件故障安全逻辑

 

英特尔® Max® 10 FPGA 可让您在电池管理系统中实施独一无二的功能：

  • 系统电源控制： 英特尔® MAX® 10 FPGA 提供的休眠模式可将状态和唤醒保持在 1 毫秒内
  • 双启动映像：通过双启动映像（即驾驶与充电模式）根据用例更改操作模式

两种架构方法：基础或伴随

英特尔支持两个不同的架构方法，以在增强系统的同时最大程度地发挥可编程逻辑的优势。

  • 使用带嵌入式 Nios® II 软处理器内核（一个免版税的紧凑型实时处理器）的英特尔® MAX® 10 FPGA 作为系统基础。您可以访问这里并下载白皮书，以了解使用搭载 Nios® II 处理器的英特尔® MAX® 10 FPGA 的优势。
  • 最大程度地提高性能和灵活性，而不需要进行重大架构更改。英特尔® Max® 10 FPGA 是卓越的伴随解决方案，可从现有 CPU 卸载复杂的算法处理。例如，Kalman 过滤器可以大幅提高 BMS 中 SoC 的精确度。您可以在英特尔® MAX® 10 FPGA 中将它作为硬件加速器实施，这样既可提高系统性能，又无需更改主处理器。 

汽车解决方案参考链接

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