Minska räckviddsångesten för elbilar och förbättra säkerheten med hjälp av integrerad fältorienterad motorstyrning och avancerade sensorer

Konstruktörer av system för elfordon och hybridfordon (ofta kallade xEV) utsätts för en ständig press att leverera fler mil per laddning för att minska räckviddsångesten och minska fordonens koldioxidavtryck. Samtidigt måste de lägga till fler motorer, sensorer, tillhörande elektronik, processorer och mjukvara för att uppnå högre nivåer av autonomi, användarfunktioner och säkerhet, samtidigt som de måste sänka kostnaderna.

Motorer för dörrar, fönster, kylfläktar för batterier, kylarfläktar och pumpar samt andra funktioner är en särskilt knivig fråga eftersom de inte bara ökar vikten, utan även kräver avancerade styralgoritmer, som t.ex. fältorienterad styrning, för att minimera buller och energiförbrukning, samtidigt som man säkerställer en jämn respons. Den övergripande systemutformningen kompliceras även av behovet att uppfylla kraven på funktionell säkerhet enligt ISO 26262 och kvalitetsstandarden AEC-Q100.

För att klara av dessa utmaningar kan konstruktörer vända sig till en mängd olika kvalificerade enheter för fordonsindustrin som ger högre nivåer av hårdvara och mjukvara som förenklar konstruktion och integration av olika funktioner, samtidigt som de minskar antalet delar och den totala storleken.

Artikeln diskuterar de problem som konstruktörer av elbilar och hybridbilar ställs inför. Därefter presenteras och visas hur man använder en högintegrerad fältorienterad styrenhet för borstlösa likströmsmotorer (BLDC) och ett tillhörande utvärderingskort för att snabbt komma igång med en effektiv motorkonstruktion för elfordon/hybridfordon. Det innehåller även olika sensorer för att övervaka ström, 3D-position, hastighet och riktning, allt från en enda källa, Allegro MicroSystems.

De problem kring kostnad, säkerhet och räckvidd som rör elfordon ställs inför

Konstruktörerna av hybridfordon måste hantera många frågor, bland annat fordonskostnad, säkerhet och tillförlitlighet - i synnerhet med tanke på den ökande nivån av autonomi, körsträckan per laddning (räckviddsångest) och batteripaketets livslängd.

För att stödja säkerhet och tillförlitlighet behövs avancerade sensorer som uppfyller kraven på funktioner i avancerade system för förarassistans (ADAS) enligt definitionen i ISO 26262. När det gäller kostnad och räckvidd har konstruktörerna valt att använda strömmatningar med högre spänningar på upp till 800 V för att öka effektiviteten och minska kabelvikten, samtidigt som man drar nytta av förbättringar i batteripaketens konstruktion.

Exempelvis har en bättre värmehantering av batterier bidragit till längre körsträcka och bättre batteritid, medan förbättrad kylning av växelriktare för elfordon och hybridfordon bidrar till att öka effekt- och energitätheten och minska vikten.

Samtidigt som högre nivåer av integration av halvledarenheter möjliggör fler funktioner med mindre vikt och på mindre utrymme måste de BLDC-motorer som krävs för de nödvändiga kylfläktarna vara noggrant styrda för att optimera effektiviteten. För att uppnå detta är det användbart att inkludera avancerade algoritmer för motorstyrning, som exempelvis fältorienterad styrning, i motorstyrningens grinddrivkrets.

Högeffektiv kylning

Fältorienterad styrning gör smidig drift av elmotorer möjlig i hela varvtalsintervallet och kan generera fullt vridmoment vid start. Fältorienterad styrning kan dessutom leverera en snabb och jämn motoracceleration och inbromsning, vilket är användbart vid noggrann styrning i högeffektiva rörliga tillämpningar. Fältorienterad styrning kan användas för att utveckla högeffektiva, kompakta och tysta drivenheter för låg spänning (50 V DC eller lägre) för en rad högeffektiva BLDC-motorer på upp till 500 W. Dessa används vanligtvis i kylfläktar för högspänningsbatterier (HV) i hybridfordon, samt i fläktar för värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC) samt i vätskepumpar för kylsystem för växelriktare för HV-drivning (figur 1).

Figur 1: Styrenheter för motorer med fältorienterad styrning kan använda batterier med låg spänning för att kyla högspänningsbatterier och växelriktare för högspänning för drivning av hybridbilar. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

I konventionella konstruktioner implementeras fältorienterad styrning med hjälp av externa sensorer och en mikrokontroller. Dessa konstruktioner, som kallas direkt fältorienterad styrning, kan vara komplicerade och tenderar att ha en minskad dynamisk respons eftersom de är beroende av externa sensorer för att mäta motorns driftsparametrar.

Fältorienterad styrning med förbättrad prestanda och lägre kostnad är möjlig genom att eliminera de externa sensorerna.

Informationen från de saknade sensorerna behövs fortfarande för att implementera den fältorienterade styrningen och kan extraheras från spänningar och strömmar vid motorns anslutningspunkter från den motriktade elektromotoriska kraften (BEMF) i motorns lindningar. Även om hårdvaran är enklare, kräver implementationen av fältorienterad styrning utan sensorer ett mer komplicerat styrprogram.

En algoritm för fältorienterad styrning utan sensorer kan möjliggöra högsta effektivitet och dynamisk respons samtidigt som det akustiska bullret minimeras. Den ger också en robust start med en öppen slinga när motorn står stilla och det inte finns någon BEMF-information att tillgå.

Enkel fältorienterad styrning av kylfläktar och pumpar i bilar

Medan de flesta BLDC-drivenheter för fältorienterad styrning kräver att programutvecklare skriver och anpassar algoritmen till en mikroprocessor eller mikrokontroller, integrerar A89307KETSR-J från Allegro MicroSystems algoritmen för fältorienterad styrning utan sensorer direkt i drivenheten. Med endast fem externa passiva kringkomponenter (fyra kondensatorer och ett motstånd) minimerar A89307KETSR-J även materiallistan, förbättrar tillförlitligheten och minskar konstruktionens komplexitet (figur 2).

Figur 2: En typisk tillämpning av A89307KETSR-J xEV i en krets för batteripaketets kylfläkt som visar de fem externa kringkomponenterna: fyra kondensatorer och ett motstånd. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

Gatedrivkretsen A89307KETSR-J kan användas från 5,5 till 50 V DC. Den integrerade algoritmen för fältorienterad styrning omfattar konstant vridmoment och konstant effekt samt driftlägen med öppen slinga och konstant hastighet. A89307KETSR-J har ingångar för pulsbreddsmodulering (PWM) eller klockläge för hastighetsstyrning, inbromsning och riktning, och utgångssignaler för feltillstånd och motorhastighet (figur 3).

Figur 3: Det interna blockdiagrammet för A89307KETSR-J visar den fältorienterade styrenheten (mitten), hastighetsstyrningen med PWM eller klockläge (SPD), ingångarna för broms (BRAKE) och riktning (DIR) (till vänster) samt utgångarna för fel (FAULT) och motorhastighet (FG) (också till vänster). (Bild: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J är optimerad för att driva externa N-kanaliga effekt-MOSFET:ar med låg tillslagsresistans. Den kan leverera de stora toppströmmar som behövs för att snabbt sätta på och stänga av MOSFET:arna för att minimera effektförlusten vid switchning, vilket förbättrar driftseffektiviteten och minskar problemen med värmehantering. Flera nivåer av grindstyrning finns tillgängliga, vilket gör det möjligt för konstruktörer att optimera kompromissen mellan elektromagnetiska störningar (EMI) och effektivitet. Snabbt tillslag av MOSFET:arna minskar switchningsförlusterna, men ökar EMI, medan långsammare tillslag av MOSFET:arna minskar EMI, men kompromissen är ökade switchningsförluster och lägre verkningsgrad.

Motorhastigheten kan styras via en ingång för PWM, en analog ingång eller en klockingång. Hastighetsreglering med sluten slinga är ett alternativ, med ett programmerbart förhållande mellan varv per minut (RPM) och klockfrekvens. Den sensorlösa startstyrningen omfattar detektering och synkronisering av förrotationer framåt och bakåt (väderkvarn), vilket gör att A89307KETSR-J kan användas i en stor mängd motor- och belastningskonfigurationer.

Algoritmen Non-Reverse Startup från Allegro MicroSystems förbättrar också prestandan vid start. Motorn startar i rätt riktning efter strömtillslag utan omvänd vibration eller skakningar. Funktionen Soft-On-Soft-Off ökar gradvis strömmen till motorn med kommandot "on" (väderkvarnsvillkor) och minskar gradvis strömmen från motorn med kommandot "off", vilket ytterligare minskar det akustiska bullret (figur 4).

Figur 4: Strömmens vågformer i A89307KETSR-J för mjukt "tillslag" (överst) och mjukt "frånslag" (nederst) resulterar i en jämn motordrift och minskat akustiskt buller. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J har ett I2C-gränssnitt för att ställa in motorns nominella ström, spänning, hastighet, motstånd och startprofil. I2C-gränssnittet implementerar även på/av och hastighetsstyrning samt hastighetsåterkoppling och felsignaler.

Utvärderingskort för sensorlös FOC

Konstruktörer kan använda utvärderingskortet APEK89307KET-01-T-DK och tillhörande program för att påskynda utvecklingen av BLDC-motordrivenheter baserade på fältorienterad styrning med A89307KETSR-J (figur 5). Kortet innehåller en A89307KETSR-J med tillgång till alla stift för in- och utgångar samt ett komplett effektsteg för 3-fas för att driva en BLDC-motor. Konstruktörer kan välja parametrar för drivenheten för fältorienterad styrning med hjälp av ett enkelt grafiskt användargränssnitt (GUI) och ladda ner dessa i kretsens EEPROM. Behovet av en mycket liten materiallista för A89307KETSR-J gör det möjligt att konstruera drivenheter som får plats i motorhuset, vilket ytterligare minskar lösningens storlek.

Figur 5: utvärderingskortet APEK89307KET-01-T-DK innehåller en A89307KETSR-J (U1, mitten till vänster på kortet) och sex effekt-MOSFET:ar (till höger) för att driva en BLDC-motor. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

Sensorer för ADAS

Konstruktörer av system för hybridbilar måste känna av strömnivåerna i motordrivenheter, DC-DC-omvandlare och växelriktare, likväl som gasventilernas och cylindrarnas rotationslägen, växlarnas hastighet och riktning i växellådor för att kunna implementera kompakta och kostnadseffektiva ADAS-funktioner. Allegro MicroSystems erbjuder en mängd olika sensorlösningar för ADAS, bland annat:

Strömavkänning: ACS72981KLRATR-150B3 ger konstruktörer en prisvärd och och exakt avkänning av lik- eller växelström. Denna linjära Hall-effektsensor för ström med hög precision och en bandbredd på 250 kHz är utformad för användning i motorstyrningar, styrning av DC-DC-omvandlare, växelriktarstyrning samt detektering och hantering av last. Det är en krets som uppfyller kraven i AEC-Q100 och har en svarstid på <2 µs, vilket stöder behovet av snabb detektering av överströmsfel i säkerhetskritiska tillämpningar.

Avkänning av 3D-position: Kontaktlös linjär och roterande magnetisk positionsavkänning i 3D för gas, ventil, cylinder och växelläge kan snabbt implementeras med hjälp av 3DMAG-kretsen A31315LOLATR-XY-S-SE-10 från Allegro MicroSystems. Apparaten kan mäta roterande rörelser i horisontella och vertikala plan och mäta linjära rörelser från sida till sida eller fram till baksida (figur 6).

Figur 6: 3D-positionssensorn A31315LOLATR-XY-S-SE-10 kan mäta roterande rörelser i horisontella och vertikala plan och mäta linjära rörelser från sida till sida eller fram till baksida. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

Sensorn A31315LOLATR-XY-S-SE-10 ger konstruktörer möjlighet att välja mellan ratiometriska analoga, PWM- eller SAE J2716-format för utdata med en enda nibble-överföring (SENT). Det har utvecklats för att uppfylla ISO 26262 ASIL B (en enda enhet, i en SOIC-8 kapsling) och ASIL D (redundant dubbel enhet, i en TSSOP-14 kapsling) i säkerhetsrelaterade fordonssystem.

Hastighet och riktning: ATS19520LSNBTN-RSWHPYU är en vibrationstolerant, differentiell Hall-effektsensor för transmissionshastighet och avkänning av riktningen på kugghjulens tänder, med modeller för avkänning av framåtriktad- och bakåtriktad rörelse (figur 7).

Figur 7: Den visade "F"-varianten av ATS19520 mäter framåtriktad rotation när en kugghjulstand passerar från stift 1 till stift 3 (överst) och bakåtriktad rotation när en kugghjulstand passerar från stift 3 till stift 1 (nederst). R-varianten mäter rotationen i motsatt riktning. (Bildkälla: Allegro MicroSystems)

Sensorn är B-klassificerad enligt ISO 26262 ASIL, har inbyggd diagnostik och lämpar sig för användning i drivsystem för hybridfordon. Single-in-line kapslingen (SIP) med tre stift, innehåller en inbyggd magnet för att mäta hastigheten och riktningen hos roterande järnföremål och en inbyggd kondensator för att garantera elektromagnetisk kompatibilitet.

Sammanfattning

Integrerade sensorlösa BLDC-motordrivenheter för fältorienterad styrning, tillsammans med strömsensorer, magnetiska positionssensorer och rotationssensorer, är nyckelkomponenter som gör det möjligt att utforma effektiva och säkra hybridfordon med längre räckvidd och lägre koldioxidavtryck. Användningen av motordrivenheter för fältorienterad styrning gör det möjligt att utforma effektivare och tystare kylsystem med förbättrad dynamisk respons för batteripaketet och växelriktaren för drivning. Kompakta, exakta och energieffektiva sensorer är avgörande för utvecklingen av hybridfordon som uppfyller tillförlitlighetskraven i avancerade system för förarassistans och funktionssäkerhetskraven i ISO 26262.

Rekommenderad läsning

1. Innovativ strömavkänning för elektrifiering av fordon
2. Effektiv implementering av SiC-strömenheter för elfordon med längre räckvidd