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作者：Amanda Weise，德州儀器模擬半導體混合信號車(chē)載產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)工程師 電機驅動(dòng)控制的集成與設備智能技術(shù)為電動(dòng)與混合動(dòng)力車(chē)輛提供節省空間和成本的解決方案。 摘要 隨著(zhù)混合動(dòng)力車(chē)輛/電動(dòng)車(chē)輛（HEV/EV）市場(chǎng)不斷擴大，人們對于更高效和智能的電機位置控制的需求也變得更為關(guān)鍵。今天，原始設備制造商（OEMs）比以往任何時(shí)候都更專(zhuān)注于如何增強電機的能力（例如：扭矩控制），同時(shí)通過(guò)診斷維持高度的系統可見(jiàn)性，以此保證時(shí)刻知曉系統的健康狀況。為了達到這些目標，電機位置控制的高度集成解決方案，尤其是電機效率和扭矩控制的解決方案變得至關(guān)重要。 前言 隨著(zhù)世界范圍的人們對更高能源效率的交通方式的需求增加，HEV/EVs將首當其沖，成為人們首要選擇的交通方式。為了更好地了解電動(dòng)與混合動(dòng)力車(chē)輛市場(chǎng)的潛力與發(fā)展情況，我們不可避免地要知道在本文中提到的是什么類(lèi)型的車(chē)輛。在Strategy Analytics[1]的報告中：“2007年到2021年混合動(dòng)力車(chē)輛系統的需求預測，”將HEV/EV分為四類(lèi)： 1. 輕度混合動(dòng)力 2. 完全混合動(dòng)力 3. 插電式混合動(dòng)力 4. 純電動(dòng) 這些分類(lèi)的每一種均考慮車(chē)輛電機的功率以及電機在系統中準確負責的任務(wù)。例如，在上述報告中，Strategy Analytics將輕度混合動(dòng)力車(chē)輛歸到電機功率小于20kW的那一類(lèi)。此種電機用于配合內燃發(fā)動(dòng)機的剎車(chē)恢復和扭矩輔助功能。一旦你理解了輕度混合動(dòng)力與純電動(dòng)的權衡，就更容易理解電機位置傳感器在該領(lǐng)域的總體有效市場(chǎng)。表1列出了Strategy Analytic報告中定義的系統分類(lèi)，這些會(huì )貫穿全文。 表1：Strategy Analytics使用的電動(dòng)車(chē)輛的不同分類(lèi)。
既然我們已經(jīng)了解正討論的車(chē)輛類(lèi)型，那就深入研究市場(chǎng)，以此來(lái)更好地了解正在投資HEV/EV車(chē)輛的汽車(chē)制造商的潛在目標市場(chǎng)。 如表1所示，每部車(chē)輛都可能搭載1到4個(gè)電機。（搭載4個(gè)電機是出于每個(gè)輪胎都需要一臺電機）。每臺使用的電機都將需要搭配合適的系統，以安全高效地驅動(dòng)與控制這些電機。這些系統需要具備控制可見(jiàn)性和粒度，以實(shí)現合適的扭矩與電機控制。牢記電機與其控制系統需要的知識，表2（同樣來(lái)自Strategy Analytics的報告）給2015-2021期間市場(chǎng)上的每種類(lèi)型車(chē)輛的數量一個(gè)估計值 表2：Strategy Analytics使用的每種類(lèi)型車(chē)輛的數量
表2顯示出HEV/EV市場(chǎng)的穩定增長(cháng)以及汽車(chē)市場(chǎng)對電動(dòng)解決方案的興趣。隨著(zhù)需求的增加，原始設備制造商將繼續尋找提升這些車(chē)輛性能，并同時(shí)增加使用內置診斷、保護和監控設備增加系統自診斷容易性的方法。 為了了解這一新興且發(fā)展迅猛的市場(chǎng)，了解該領(lǐng)域的汽車(chē)制造商所關(guān)注的主要驅動(dòng)因素是至關(guān)重要的。首先是使這些車(chē)輛能夠為他們的電機驅動(dòng)器（逆變器）提供精確精準的電機控制非常重要。其次是為什么系統在設備層面的集成對為HEV/EV提供更小、更智能和更有效的解決方案非常關(guān)鍵。 精確精準的電機控制 對于任何車(chē)輛，不管電動(dòng)與否，電機是驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)的動(dòng)力系統的中心部件。特別是電動(dòng)車(chē)輛，需要電機的位置信息，包括角度和速度數據，以保證電機控制系統能夠高效精確地工作。由逆變器收集的數據被積極用來(lái)控制和監控每個(gè)電機相中的電流情況�？刂坪驼{節電機電流的過(guò)程就是用來(lái)為電機創(chuàng )造扭矩的過(guò)程。電動(dòng)車(chē)輛的扭矩控制對客戶(hù)和汽車(chē)制造商均至關(guān)重要。扭矩至關(guān)重要的主要領(lǐng)域包括： 1. 在以低速啟動(dòng)電機和爬坡時(shí)需要高扭矩 2. 扭矩控制保證車(chē)輛高速度巡航時(shí)的高功率 3. 加速時(shí)的快速的扭矩響應要求精確的電機控制 4. 精確的電機和扭矩控制實(shí)現回饋制動(dòng)需要的高頻率 控制和理解電機中的扭矩使車(chē)輛可以為駕駛者向車(chē)輪提供更順滑的動(dòng)力。準確地了解電機位置是保證合適扭矩控制的關(guān)鍵。通過(guò)了解電機軸的準確定位以及搭載可以根據電機數據做出決策的智能系統，電動(dòng)車(chē)輛的控制系統能夠精確地計算出駕駛者需要的扭矩�？刂圃骄_，用戶(hù)在處理所列的任意一種情況時(shí)將獲得更好的體驗。 電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛使用的電機控制系統的簡(jiǎn)單結構，見(jiàn)圖1。預想該系統如何工作的，您可以想象一下作為駕駛員您在駕駛的時(shí)候決定改變速度的場(chǎng)景。當你使發(fā)動(dòng)機/電機控制單元（逆變器）加速（或減速）時(shí)，車(chē)輛的電池提供驅動(dòng)電機運行的動(dòng)力。然后，位置感測器（旋轉變壓器）會(huì )讀取電機的角度信息并將其轉化成逆變器系統的微控制器可操作的格式。該數據一旦傳輸到微控制器，電機控制系統就可以增加或降低電機扭矩。這些速度的增加或降低以同樣的方式被處理，而且合適的扭矩會(huì )根據用戶(hù)的原始輸入傳遞到系統。 
圖1：電動(dòng)機控制單元與位置感測器裝備地點(diǎn) 集成 了解了電機控制在HEV/EV驅動(dòng)系統中的重要性后，我們現在可以調查多種當今市場(chǎng)上用來(lái)增強控制車(chē)輛扭矩系統的方法。 電機控制系統的中心部件是一個(gè)逆變器電路板。該部件用來(lái)向微控制器、電機驅動(dòng)器和用來(lái)讀取和操作收集到的電機信息的傳感器接口提供動(dòng)力。為了能夠做到這一點(diǎn)，在車(chē)輛的引擎蓋下靠近電機的地方為系統裝備該電子產(chǎn)品。該電路板的位置給混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛制造商帶來(lái)一對挑戰。 由于每輛車(chē)的引擎蓋下方的空間已然很有限，因此保證一個(gè)方案具有小型化的結構與封裝是至關(guān)重要的。為了實(shí)現更小的解決方案，電子元件供應商正專(zhuān)注于如何在一個(gè)封裝板內集成更多的功能甚至更多的器件�，F在正引入市場(chǎng)的汽車(chē)器件集成一部分實(shí)現系統功能所需的元件在一個(gè)芯片上（例如信號鏈、通信或電源）。然后將集成的芯片組合起來(lái)用于降低電路板上用來(lái)控制電機的元件的數量。 通過(guò)在一個(gè)封裝板中集成更多的功能和器件，混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛制造商可以縮小逆變器系統的整體板子尺寸以及省去一些不再需要的電子元件的成本。更小和更具成本效率的電子元件層面的解決方案給予原始設備制造商們有利優(yōu)勢，使其不必再為顧客增加成本。 隨著(zhù)市場(chǎng)趨向于集成化，另一個(gè)解決的因素是系統的整體智能和連接性。這到底意味著(zhù)什么？當車(chē)輛內部的各模塊變得更加復雜時(shí)，進(jìn)行系統診斷和健康檢查是有必要的，以確保他們正常工作。對于HEV/EV電機控制系統，做這些類(lèi)型的檢查將會(huì )使電機、驅動(dòng)電路以及位置感測器的健康狀況成為已知變量，而系統的運行依靠這些變量。憑借電機系統內部的可見(jiàn)性，如果誤差或問(wèn)題發(fā)生，對驅動(dòng)的評估將更智能與更迅速。更智能的電機控制可以報告控制系統的狀態(tài)并采取行動(dòng)。這樣的電機控制系統是HEV/EV市場(chǎng)成功的必要條件。 總結 為汽車(chē)系統供應商和汽車(chē)制造商夠提供更智能、更小型與更節約成本的解決方案是HEV/EV市場(chǎng)的關(guān)鍵。隨著(zhù)該市場(chǎng)迅速擴張，電機控制高度集成化的解決方案成為電動(dòng)車(chē)輛增長(cháng)的核心所在。最終，以較低的價(jià)格向顧客提供高性能的系統才是推動(dòng)該市場(chǎng)向更成功邁進(jìn)的真正動(dòng)力。 這些 HEV/EV解決方案包括：PGA411-Q1旋轉變壓器接口和C2000™微控制器。您可以在TI的網(wǎng)站上了解更多關(guān)于TI HEV/EV解決方案的信息。 參考文獻 1. Mak, K. (2014).混合動(dòng)力車(chē)輛系統需求預測2007-2021數據文檔。Strategy Analytics。 2. Singh, B., Jain.P., Mittal.A.P., Gupta.J.R.P (2006)。直接扭矩控制：一種實(shí)用的電動(dòng)車(chē)解決方案.IEEE, TI虛擬庫。 3. Tashakori, A., Ektesabi, M. (2012) 電動(dòng)車(chē)輛的直接扭矩控制驅動(dòng)系統。世界工程大會(huì )記錄文件 2012 Vol II。 |
