Reducerea anxietății legate de autonomia vehiculelor electrice și îmbunătățirea siguranței cu ajutorul controlului integrat al motorului FOC și al senzorilor avansați

Proiectanții de sisteme pentru vehicule electrice (EV) și vehicule electrice hibride (HEV) (adesea denumite xEV) sunt supuși unei presiuni constante de a oferi mai mulți kilometri la fiecare încărcare, a reduce anxietatea legată de autonomie și a diminua amprenta de carbon a vehiculelor. În același timp, aceștia trebuie să adauge un număr mai mare de motoare, senzori, componente electronice asociate, procesoare și software pentru a atinge niveluri mai ridicate de autonomie a vehiculelor, caracteristici pentru utilizatori și siguranță, reducând în același timp costurile.

Motoarele pentru portiere, ferestre, ventilatoare de răcire a bateriei, ventilatoare și pompe pentru radiatoare și alte caracteristici reprezintă o problemă deosebit de dificilă, deoarece nu numai că adaugă greutate, dar necesită și algoritmi de control avansați, cum ar fi controlul orientat pe câmp (FOC), pentru a minimiza zgomotul și consumul de energie, asigurând în același timp un răspuns uniform. Sarcina generală de proiectare a sistemului este complicată de necesitatea de a îndeplini și cerințele de siguranță funcțională ISO 26262 și standardele de calitate AEC-Q100.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot apela la o varietate de dispozitive calificate pentru automobile, ce oferă niveluri mai ridicate de hardware și software care simplifică proiectarea și integrarea diferitelor funcții, reducând în același timp numărul de piese și amprenta totală.

Acest articol analizează problemele cu care se confruntă proiectanții de vehicule electrice și de vehicule electrice hibride. Apoi prezintă și arată cum se poate utiliza un controler de motor cu curent continuu fără perii (BLDC) FOC cu grad ridicat de integrare și o placă de evaluare asociată pentru a demara o proiectare eficientă a unui motor EV/HEV. De asemenea, prezintă diverși senzori pentru monitorizarea curentului, a poziției 3D, a vitezei și a direcției, toate de la o singură sursă, Allegro MicroSystems.

Problemele legate de costuri, siguranță și anxietatea privind autonomia asociate vehiculelor electrice

Problemele pe care trebuie să le abordeze proiectanții de xEV-uri sunt numeroase, inclusiv costul, siguranța și fiabilitatea vehiculelor – în special în lumina nivelurilor tot mai ridicate de autonomie a vehiculelor, a autonomiei de rulare la fiecare încărcare (anxietate privind autonomia) și a duratei de viață a acumulatorului.

Pentru susținerea siguranței și a fiabilității este nevoie de senzori avansați care să îndeplinească cerințele funcțiilor sistemelor avansate de asistență a șoferului (ADAS), așa cum sunt definite în ISO 26262. În ceea ce privește costurile și autonomia, proiectanții au apelat la șine de alimentare de tensiune mai mare, de până la 800 de volți, pentru o eficiență mai mare și o greutate redusă a cablurilor, profitând în același timp de îmbunătățirile aduse în proiectarea acumulatoarelor.

De exemplu, o gestionare termică mai bună a bateriilor a contribuit la o autonomie mai mare și la o durată de viață mai lungă a bateriilor, în timp ce îmbunătățirea răcirii invertoarelor de tracțiune pentru vehiculele electrice și electrice hibride contribuie la creșterea densității de putere și de energie și la reducerea greutății.

În timp ce nivelurile mai ridicate de integrare a dispozitivelor semiconductoare permit o funcționalitate mai bună cu greutate și spațiu mai reduse, motoarele BLDC necesare pentru ventilatoarele de răcire indispensabile trebuie să fie controlate cu strictețe pentru a optimiza eficiența. Pentru a realiza acest lucru, este utilă includerea unor algoritmi avansați de control al motorului, cum ar fi FOC, în driverul de poartă al controlerului motorului.

Răcire de înaltă performanță

FOC permite funcționarea lină a motoarelor electrice pe întreaga gamă de turații și poate genera cuplu maxim la pornire. În plus, FOC poate asigura accelerarea și decelerarea rapidă și lină a motorului, o caracteristică utilă pentru controlul precis în aplicațiile de mișcare de înaltă performanță. FOC poate fi utilizat pentru a dezvolta drivere de înaltă eficiență, compacte și silențioase, de joasă tensiune (LV) (50 volți c.c. și mai puțin) pentru o gamă de motoare BLDC de înaltă performanță de până la 500 de wați. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit în ventilatoarele de răcire a bateriilor de înaltă tensiune (HV) ale xEV, precum și în suflantele sistemelor de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) și în pompele de lichid pentru sistemele de răcire a invertoarelor de tracțiune HV (Figura 1).

Figura 1: controlerele de motor FOC pot utiliza energia bateriei LV pentru a răci bateriile xEV HV și invertoarele de tracțiune HV. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

În modelele convenționale, FOC este implementat cu senzori externi folosind un microcontroler. Denumite FOC direct, aceste modele pot fi complexe și tind să sufere de un răspuns dinamic redus din cauza dependenței lor față de senzori externi pentru măsurarea parametrilor de funcționare a motorului.

FOC cu performanțe îmbunătățite și costuri mai mici este posibil prin eliminarea senzorilor externi.

Informațiile primite de la senzorii lipsă încă sunt necesare pentru a pune în aplicare FOC și pot fi extrase din tensiunile și curenții bornelor motorului, de la forța contraelectromotoare (BEMF) din înfășurările motorului. În timp ce hardware-ul este mai simplu, implementarea FOC fără senzori necesită un software de control mai complex.

Un algoritm FOC fără senzori poate permite cea mai mare eficiență și cel mai bun răspuns dinamic, minimizând în același timp zgomotul acustic. De asemenea, acesta oferă o pornire robustă în buclă deschisă pentru momentele în care motorul este oprit, atunci când nu sunt disponibile informații despre BEMF.

FOC simplu pentru ventilatoare și pompe de răcire pentru automobile

În timp ce majoritatea driverelor BLDC FOC necesită ca dezvoltatorii de software să inscripționeze și să porteze algoritmul pe un microprocesor sau microcontroler, A89307KETSR-J de la Allegro MicroSystems integrează algoritmul FOC fără senzori direct în driverul de poartă. Având numai cinci componente pasive externe (patru condensatoare și un rezistor), A89307KETSR-J reduce și lista de materiale (BOM), îmbunătățește fiabilitatea și reduce complexitatea proiectării (Figura 2).

Figura 2: un circuit tipic al aplicației unui ventilator de răcire a acumulatorului A89307KETSR-J xEV arată cele cinci componente externe: patru condensatoare și un rezistor. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

Driverul de poartă A89307KETSR-J funcționează de la 5,5 la 50 volți c.c. Algoritmul FOC integrat include cuplu constant și putere constantă, precum și modurile de funcționare în buclă deschisă și cu viteză constantă. A89307KETSR-J include intrări pentru modularea impulsului în lățime (PWM) sau controlul vitezei în modul ceas, frânare și direcție, precum și semnale de ieșire pentru condiții de defecțiune și viteza motorului (Figura 3).

Figura 3: schema bloc internă a modelului A89307KETSR-J prezintă controlerul FOC (centru), controlul vitezei în mod PWM sau ceas (SPD), intrările pentru frână (BRAKE) și direcție (DIR) (în stânga), precum și ieșirile pentru defecțiune (FAULT) și viteza motorului (FG) (tot în stânga). (Imagine: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J este optimizat pentru a comanda MOSFET-uri de putere externe cu canal N cu rezistență redusă la pornire. Acesta poate furniza curenții de comandă de vârf mari necesari pentru activarea și dezactivarea rapidă a MOSFET-urilor, în scopul de a minimiza disiparea de putere în timpul comutării, îmbunătățind eficiența de funcționare și reducând problemele de gestionare termică. Sunt disponibile mai multe niveluri de comandă a porții, permițând proiectanților să optimizeze compromisul dintre emisiile de interferențe electromagnetice (EMI) și eficiență. Pornirea rapidă a MOSFET-urilor reduce pierderile de comutare, dar crește EMI, în timp ce pornirea mai lentă a MOSFET-urilor reduce EMI, dar crește pierderile la comutare și reduce eficiența.

Viteza motorului poate fi controlată prin PWM, în mod analogic sau cu intrare CLOCK. Controlul vitezei în buclă închisă este o opțiune, cu un raport programabil între rotația pe minut (RPM) și frecvența ceasului. Controlul de pornire fără senzori include detectarea și sincronizarea rotației prealabile înainte și înapoi (tip moară de vânt), permițând modelului A89307KETSR-J să funcționeze într-o gamă largă de configurații de motoare și sarcini.

Algoritmul de pornire fără inversare al Allegro MicroSystems îmbunătățește și performanța de pornire. Motorul va porni în direcția corectă după pornire, fără vibrații sau scuturări inverse. Funcția de pornire și oprire treptată crește gradual curentul la motor cu comanda de pornire (starea de tip moară de vânt) și reduce treptat curentul de la motor cu comanda de oprire, reducând și mai mult zgomotul acustic (Figura 4).

Figura 4: formele de undă ale curentului pentru A89307KETSR-J pentru pornirea treptată (sus) și oprirea treptată (jos) rezultă într-o funcționare lină a motorului și zgomot acustic redus. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J include o interfață I2C pentru setarea curentului nominal al motorului, a tensiunii, a vitezei, a rezistenței și a profilului de pornire. I2C implementează și controlul de pornire/oprire și al vitezei, precum și semnalele de feedback la viteză și de eroare.

Placa de evaluare FOC fără senzori

Proiectanții pot utiliza placa de evaluare APEK89307KET-01-T-DK și software-ul asociat pentru a accelera dezvoltarea mecanismelor de acționare a motoarelor BLDC bazate pe FOC care utilizează A89307KETSR-J (Figura 5). Această placă include A89307KETSR-J cu acces la toți pinii de intrare și ieșire, plus un etaj de putere trifazat complet pentru acționarea unui motor BLDC. Proiectanții pot selecta parametrii de acționare FOC utilizând o interfață de utilizare grafică simplă (GUI) și îi pot încărca în EEPROM pe cip. Lista minimă de materiale a modelului A89307KETSR-J permite proiectarea unităților care se potrivesc în interiorul carcasei motorului, reducând și mai mult dimensiunea soluției.

Figura 5: placa de evaluare APEK89307KET-01-T-DK are un A89307KETSR-J (U1, în partea din stânga-centru a plăcii) și șase MOSFET-uri de putere (partea dreaptă) pentru comanda unui motor BLDC. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

Senzori pentru ADAS

Proiectanții de sisteme xEV trebuie să detecteze nivelurile de curent în mecanismele de acționare ale motoarelor, convertoarele c.c. - c.c. și invertoare, precum și pozițiile de rotație ale supapelor de accelerație și ale cilindrilor, dar și viteza și direcția angrenajelor din transmisii, pentru a implementa funcții ADAS compacte și rentabile. Allegro MicroSystems oferă o varietate de soluții de senzori pentru ADAS, inclusiv:

Detectarea curentului: ACS72981KLRATR-150B3 oferă proiectanților o detecție economică și precisă a curentului alternativ sau continuu. Acest senzor de curent liniar de înaltă precizie cu efect Hall are o lățime de bandă de 250 kilohertzi (kHz) și este proiectat pentru a fi utilizat în controlul motoarelor, controlul convertoarelor c.c. - c.c., controlul invertoarelor și detectarea și gestionarea sarcinilor. Este un circuit integrat calificat AEC-Q100 și are un timp de răspuns de <2 microsecunde (µs), susținând nevoile de detectare rapidă a defectelor de supracurent ale aplicațiilor critice pentru siguranță.

Detectarea poziției 3D: detectarea poziției 3D liniare și rotative, în mod magnetic și fără contact, pentru detectarea poziției clapetei de accelerație, a supapelor, a cilindrilor și a transmisiei, poate fi implementată rapid cu ajutorul circuitului integrat 3DMAG A31315LOLATR-XY-S-SE-10 de la Allegro MicroSystems. Dispozitivul poate măsura mișcarea de rotație în plan orizontal și vertical și poate măsura mișcarea liniară dintr-o parte în alta sau din față în spate (Figura 6).

Figura 6: senzorul de poziție 3D A31315LOLATR-XY-S-SE-10 poate măsura mișcarea de rotație în plan orizontal și vertical și poate măsura mișcarea liniară dintr-o parte în alta sau din față în spate. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

Senzorul A31315LOLATR-XY-S-SE-10 oferă proiectanților posibilitatea de a alege între formatele de ieșire analogice rațiometrice, PWM sau SAE J2716 de transmitere a semnalelor punct-la-punct (SENT). Acesta a fost dezvoltat pentru a îndeplini cerințele ISO 26262 ASIL B (o singură matriță, într-un pachet SOIC-8) și ASIL D (matriță dublă redundantă, într-un pachet TSSOP-14) în sistemele auto legate de siguranță.

Viteza și direcția: ATS19520LSNBTN-RSWHPYU este un senzor diferențial de viteză și direcție pentru dinți de transmisie cu efect Hall, tolerant la vibrații, cu modele disponibile pentru detectarea direcției înainte și înapoi (Figura 7).

Figura 7: varianta „F” prezentată a modelului ATS19520 măsoară rotația spre față atunci când un dinte de angrenaj trece de la pinul 1 la pinul 3 (sus) și rotația spre spate atunci când un dinte de angrenaj trece de la pinul 3 la pinul 1 (jos). Varianta „R” măsoară rotația în sensuri opuse. (Sursa imaginii: Allegro MicroSystems)

Senzorul clasificat ISO 26262 ASIL B are diagnosticare integrată și este potrivit pentru utilizarea în grupurile motopropulsoare ale xEV-urilor. Pachetul cu un singur rând de pini (SIP), cu trei pini, include un magnet de polarizare inversă integrat pentru a măsura viteza și direcția țintelor feroase aflate în rotație și un condensator integrat pentru a asigura compatibilitatea electromagnetică.

Concluzie

Mecanismele de acționare integrate fără senzori ale motoarelor BLDC FOC, împreună cu senzori de curent, senzori magnetici de poziție și senzori de rotație, sunt componente cheie care permit proiectarea de xEV-uri eficiente și sigure, cu autonomie mai mare și amprente de carbon mai reduse. Utilizarea mecanismelor de control cu motor FOC, în special, permite proiectarea unor sisteme de răcire mai eficiente și mai silențioase, cu un răspuns dinamic îmbunătățit pentru acumulatoare și invertoarele de tracțiune. La rândul lor, senzorii compacți, preciși și cu consum redus de energie sunt esențiali pentru dezvoltarea xEV-urilor care îndeplinesc cerințele de fiabilitate ale sistemelor avansate de asistență a șoferului și cerințele de siguranță funcțională ale ISO 26262.

Lectură recomandată

1. Detectarea inovatoare a curentului pentru electrificarea vehiculelor
2. Implementarea eficientă a dispozitivelor de putere SiC pentru vehiculele electrice cu autonomie mai mare