|
電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV)（通常稱(chēng)為 xEV）系統的設計者面臨著(zhù)持續的壓力，要求每次充電提供更多的里程，以減少里程焦慮和降低車(chē)輛碳排放。同時(shí)，他們需要增加更多的電機、傳感器、相關(guān)電子器件、處理器和軟件，以滿(mǎn)足更高水平的車(chē)輛自主性、用戶(hù)功能和安全性，同時(shí)也要降低成本。 用于門(mén)、窗、電池冷卻風(fēng)扇、散熱器風(fēng)扇和泵以及其他功能的電機就是一個(gè)特別棘手的問(wèn)題，因為它們不僅增加了重量，還需要先進(jìn)的控制算法，如磁場(chǎng)定向控制 (FOC)，以盡量減少噪音和功耗，同時(shí)確保平穩響應。由于需要同時(shí)滿(mǎn)足 ISO 26262 功能安全要求和 AEC-Q100 質(zhì)量標準，因此整個(gè)系統設計任務(wù)變得非常復雜。 為了應對這些挑戰，設計者可以尋求采用各種符合車(chē)規要求的器件，這些器件擁有更高的硬件和軟件水平，簡(jiǎn)化了各種功能的設計和集成，同時(shí)也減少了零件數量和總體空間占地。 本文討論了電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)設計者所面臨的問(wèn)題。然后，介紹并展示了如何使用高度集成的 FOC 無(wú)刷直流 (BLDC) 電機控制器和相關(guān)評估板來(lái)啟動(dòng)高效的 EV/HEV 電機設計。最后還展示了各種監測電流、3D 位置、速度和方向的傳感器，所有這些都來(lái)自一家叫 Allegro MicroSystems 的廠(chǎng)商。 電動(dòng)汽車(chē)面臨的成本、安全和里程焦慮問(wèn)題 xEV 的設計者必須解決的問(wèn)題很多，包括車(chē)輛成本、安全性和可靠性——尤其是在車(chē)輛自主性水平不斷提高的情況下，每次充電的行駛里程（里程焦慮）和電池組壽命。 為了獲得安全性和可靠性，需要先進(jìn)的傳感器來(lái)滿(mǎn)足 ISO 26262 中定義的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 功能的要求。為了降低成本和提高里程，設計者已經(jīng)轉向使用高達 800 伏的高電壓電源軌，以提高效率和減少電纜重量，同時(shí)也在利用電池組設計改進(jìn)。 例如，改進(jìn)電池熱管理有助于提高行駛里程和延長(cháng)電池壽命，而改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)牽引逆變器的冷卻則有助于提高功率和能量密度并減輕重量。 雖然隨著(zhù)半導體器件集成度越來(lái)越高，使得在更小的重量和空間下實(shí)現了更多的功能，但必須嚴控必要冷卻風(fēng)扇所需的無(wú)刷直流電機，以?xún)?yōu)化效率。為了實(shí)現這一目標，在電機控制器柵極驅動(dòng)器上包括先進(jìn)的電機控制算法，如 FOC，是非常有用的。 高性能冷卻 FOC 可以使電機在整個(gè)速度范圍內平穩運行，并且可以在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生全扭矩。此外，FOC 可以提供快速而平穩的電機加速和減速，這一特性對于高性能運動(dòng)應用中的精確控制非常有用。FOC 可用于開(kāi)發(fā)高效、緊湊和安靜的低壓 (LV)（50 伏及以下直流）驅動(dòng)器，適合最高 500 瓦的高性能 BLDC 電機系列。這些電機通常用于 xEV 高壓 (HV) 電池冷卻風(fēng)扇，以及加熱通風(fēng)和空調 (HVAC) 風(fēng)機和高壓牽引變頻器冷卻系統的液體泵（圖 1）。 
圖 1：FOC 電機控制器可以使用低壓電池電源來(lái)冷卻 xEV 高壓電池和高壓牽引逆變器。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） 在傳統設計中，FOC 是通過(guò)外部傳感器使用微控制器來(lái)實(shí)現的。這些設計稱(chēng)為直接 FOC，可能很復雜，而且由于依賴(lài)外部傳感器來(lái)測量電機的運行參數，往往會(huì )出現動(dòng)態(tài)響應降低問(wèn)題。 通過(guò)取消外部傳感器，可以實(shí)現性能更好、成本更低的 FOC。 要實(shí)現 FOC ，仍然需要來(lái)自缺失傳感器的信息，并且可以從電機終端的電壓和電流中提取電機繞組中的反電動(dòng)勢 (BEMF)。雖然硬件比較簡(jiǎn)單，但無(wú)傳感器 FOC 的實(shí)現需要更復雜的控制軟件。 無(wú)傳感器的 FOC 算法可以實(shí)現最高的效率和動(dòng)態(tài)響應，同時(shí)最大限度地減少聲學(xué)噪音。它還為電機處于靜止狀態(tài)時(shí)提供了強大的開(kāi)環(huán)啟動(dòng)，此時(shí)沒(méi)有 BEMF 信息可用。 用于汽車(chē)冷卻風(fēng)扇和泵的簡(jiǎn)易 FOC 雖然大多數 FOC 無(wú)刷直流驅動(dòng)器需要軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)并將算法移植到微處理器或微控制器中，但 Allegro MicroSystems 的 A89307KETSR-J 將無(wú)傳感器 FOC 算法直接集成到了柵極驅動(dòng)器中。A89307KETSR-J 只有五個(gè)外部無(wú)源元件（四個(gè)電容和一個(gè)電阻），最大限度地減小了物料清單 (BOM)，提高了可靠性，并降低了設計復雜性（圖 2）。
圖 2：典型的 A89307KETSR-J xEV 電池組冷卻風(fēng)扇應用電路顯示了五個(gè)外部元件：四個(gè)電容和一個(gè)電阻。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 柵極驅動(dòng)器工作電壓為 5.5 至 50 伏直流。集成的 FOC 算法包括恒定扭矩和恒定功率，以及開(kāi)環(huán)和恒定速度工作模式。A89307KETSR-J 包括用于脈沖寬度調制 (PWM) 或時(shí)鐘模式速度控制、制動(dòng)和方向的輸入，以及用于故障條件和電機速度的輸出信號（圖 3）。
圖 3：A89307KETSR-J 的內部框圖顯示了 FOC 控制器（中間）、PWM 或時(shí)鐘模式速度控制 (SPD)、剎車(chē) (BRAKE) 和方向 (DIR) 輸入（左邊），以及故障 (FAULT) 和電機速度 (FG) 輸出（也在左邊）。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可驅動(dòng)外部低導通電阻 N 溝道功率 MOSFET。它可以提供快速開(kāi)啟和關(guān)閉 MOSFET 所需的大峰值驅動(dòng)電流，以盡量減少開(kāi)關(guān)期間的功率耗散，提高運行效率并減少熱管理問(wèn)題。它提供多種柵極驅動(dòng)水平，能夠讓設計人員優(yōu)化電磁干擾 (EMI) 輻射和效率之間的權衡。MOSFET 的快速導通減少了開(kāi)關(guān)損耗，但增加了 EMI，而較慢的 MOSFET 導通則減少了EMI，其代價(jià)是增加開(kāi)關(guān)損耗和降低效率。 電機速度可以通過(guò) PWM、模擬或 CLOCK 輸入來(lái)控制。此外還有閉環(huán)速度控制選項，且每分鐘轉數 (RPM) 與時(shí)鐘頻率之比可編程。無(wú)傳感器啟動(dòng)控制包括正向和反向預旋轉（風(fēng)車(chē)）檢測和同步，使得 A89307KETSR-J 能夠在廣泛的電機和負載配置范圍內運行。 Allegro MicroSystems 的非返向啟動(dòng)算法也提高了啟動(dòng)性能。上電后電機將以正確的方向啟動(dòng)，沒(méi)有反向振動(dòng)或搖晃。軟啟動(dòng)-軟關(guān)閉功能在“開(kāi)啟”指令下逐漸增加電機的電流（風(fēng)車(chē)狀態(tài)），在“關(guān)閉”指令下逐漸減少電機的電流，進(jìn)一步降低了聲音噪音（圖 4）。
圖 4：A89307KETSR-J 的軟“啟動(dòng)”（上）和軟“關(guān)閉”（下）的電流波形使得電機運行平穩，降低了聲學(xué)噪音。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 包括一個(gè) I2C 接口，用于設置電機額定電流、電壓、速度、電阻和啟動(dòng)曲線(xiàn)。I2C 還實(shí)現了開(kāi)/關(guān)和速度控制，以及速度反饋和故障信號。 無(wú)傳感器 FOC 評估板 設計者可以使用 APEK89307KET-01-T-DK 評估板和相關(guān)軟件來(lái)加快使用 A89307KETSR-J 開(kāi)發(fā)基于 FOC 的 BLDC 電機驅動(dòng)器（圖 5）。該板包括 A89307KETSR-J，可訪(fǎng)問(wèn)所有輸入和輸出引腳，外加一個(gè)完整的三相功率級，用于驅動(dòng) BLDC 電機。設計者可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面 (GUI) 選擇 FOC 驅動(dòng)參數，并將其加載到片上 EEPROM 中。A89307KETSR-J 物料需要最小，使得驅動(dòng)器的設計可以安裝在電機外殼內，進(jìn)一步減少了解決方案的尺寸。
圖 5：APEK89307KET-01-T-DK 評估板上有 A89307KETSR-J（U1，位于板子中間左側）和六個(gè)功率 MOSFET（右側）來(lái)驅動(dòng)一個(gè) BLDC 電機。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） 用于 ADAS 的傳感器 xEV 系統的設計者需要檢測電機驅動(dòng)器、DC-DC 轉換器和逆變器中的電流水平，節流閥和氣缸的旋轉位置，以及變速器中齒輪的速度和方向，以實(shí)現緊湊而經(jīng)濟的 ADAS 功能。Allegro MicroSystems 為 ADAS 提供了各種傳感器解決方案，包括： 電流檢測：ACS72981KLRATR-150B3 為設計者提供了經(jīng)濟而精確的交流或直流電流檢測能力。這種高精度線(xiàn)性霍爾效應電流傳感器的帶寬為 250 千赫茲 (kHz)，旨在用于電機控制、DC-DC 轉換器控制、逆變器控制以及負載檢測和管理。它是一個(gè)符合 AEC-Q100 標準的 IC，響應時(shí)間 <2 微秒 (μs)，支持安全關(guān)鍵型應用的快速過(guò)流故障檢測需求。 3D 位置檢測：使用 Allegro MicroSystems 的 A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC，可以快速實(shí)現用于節氣門(mén)、閥門(mén)、氣缸和變速器位置檢測的非接觸式線(xiàn)性和旋轉 3D 磁性位置檢測。該器件可以測量水平和垂直平面上的旋轉運動(dòng)，并測量橫向或前后線(xiàn)性運動(dòng)（圖 6）。
圖 6：A31315LOLATR-XY-SE-10 3D 位置傳感器可以測量水平和垂直平面的旋轉運動(dòng)，并測量橫向或前后的線(xiàn)性運動(dòng)。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） A31315LOLATR-XY-S-SE-10 傳感器為設計者提供了比率式模擬、PWM 或 SAE J2716 單邊半字節傳輸 (SENT) 輸出格式的選擇。它的開(kāi)發(fā)是為了滿(mǎn)足安全相關(guān)型汽車(chē)系統中 ISO 26262 ASIL B（單芯片，SOIC-8 封裝）和 ASIL D（冗余雙芯片，TSSOP-14 封裝）的能力。 速度和方向：ATS19520LSNBTN-RSWHPYU 是一種耐振動(dòng)、差動(dòng)霍爾效應傳動(dòng)速度和方向齒輪齒傳感器，有正向和反向感應型號（圖 7）。
圖 7：所示 ATS19520 的 "F" 型變體能夠測量齒輪齒從引腳 1 到引腳 3（頂部）通過(guò)時(shí)的正向旋轉以及齒輪齒從引腳 3 到引腳 1（底部）通過(guò)時(shí)的反向旋轉。"R" 變型則測量相反方向的旋轉。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） ISO 26262 ASIL B 級傳感器具有集成診斷功能，適合用于 xEV 驅動(dòng)系統。三引腳單列直插式封裝 (SIP) 包括一個(gè)集成的背部偏移磁鐵，用于測量旋轉的含鐵目標的速度和方向，以及一個(gè)集成電容器，以確保電磁兼容性。 結語(yǔ) 集成無(wú)傳感器 FOC 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器以及電流傳感器、磁性位置傳感器和旋轉傳感器，是設計具有更大里程數和更低碳排放的高效和安全型 xEV 的關(guān)鍵組件。特別是，使用 FOC 電機驅動(dòng)器，可以設計出更高效、更安靜的冷卻系統，并改善電池組和牽引逆變器的動(dòng)態(tài)響應。就其本身而言，緊湊、精確和節能的傳感器對于開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足高級駕駛輔助系統可靠性要求和 ISO 26262 功能安全要求的 xEV 至關(guān)重要。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
