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未来电动汽车牵引电机需求和速度传感器解决方案

作者:Allegro MicroSystems L. Stewart, P. Suyderhoud, J. Whalen时间:2021-10-11来源:电子产品世界收藏
编者按:使用牵引电机的车辆在世界范围内已经越来越普及。本文探讨了牵引电机系统中速度和位置传感器的应用需求趋势,包括高速能力、启动精度、低速运行、抗振动性、EMC鲁棒性和安全性等。Allegro MicroSystems能够提供多种解决方案,可以满足这些应用要求以及其他终端用户的要求。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202110/428729.htm

牵引电机的总体发展趋势

随着市场朝着电动汽车使用越来越广泛的方向发展,两个关键因素将影响现有牵引电机系统的需求发展方式:

1. 降低成本:使电动汽车的入门成本与内燃机汽车基本一致。

2. 扩大范围:使电池动力电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)成为更广泛应用的可行选择方案。这些因素将继续推动制造商寻找既可提高性能又可使用更具成本效益的电动汽车电机解决方案。

不断发展的电机需求

高速度

与内燃机汽车不同,电动车辆通常不具有变速器或只有低齿数变速器。电动汽车使用的牵引电机需要在广泛的速度范围内有效运行;因此,大多数时候只需要一个或两个差减变速器(gear ratio)即可。较少传动齿轮需要牵引电机比内燃发动机以更高的转速运行。这使传感设备必须执行一组新的技术要求。

虽然典型的内燃发动机在约6,000 rpm时进入转速红区,但许多电动汽车牵引电机的运转能力却远不止于此,找到比ICE发动机转速快两倍或更多的EV电机非常容易。例如,自2016年以来一直在市场上销售的雪佛兰Bolt EV使用最大转度为8,810 rpm的牵引电机,这是在Bolt前身Chevrolet Spark EV(2013 – 2016)基础上的改进,Chevrolet Spark EV使用的最大转速仅为4,500 rpm [1]。日产聆风(Leaf)是可与Bolt媲美的车辆,它使用的是EM57牵引电机,最大速度为10,390 rpm [2]

特斯拉Model 3等更高性能电动汽车需要更高的转速。据估计,Model 3牵引电机在162 mph最高时度下可以达到27,200 rpm的转速[a]。Model 3是过去几年中广受欢迎的电动汽车之一,因此对高性能电动汽车有明确的需求。将来,未来市场对能够达到Model 3速度的牵引电机需求可能还会增大,必须重新设计半导体传感器件,以满足这些新的高速高性能应用需求。

启动、低速和振动要求

启动

牵引电机的启动要求根据所涉及的电机类型而有很大差异。大多数汽车牵引电机都使用永磁同步电机(PMSM)或感应电机(异步电机)。每种电机具有不同的功能,因而也具有不同的传感器件要求。

[a]该值是根据车辆的最高速度、车轮直径和齿轮减速比计算得出。

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图1 常见的汽车牵引电机类型[3]

永磁同步电机

基于永磁同步电机的应用需要反馈解决方案,可在启动时提供绝对的转子位置,这对于初始启动至关重要,因为同步电机的定子和转子需要“同相”运行。启动时转子位置反馈的错误会导致电机驱动的相位不一致,导致转子加速和/或“急动”以匹配电机驱动器的初始相位,甚至可能与预期驱动器的方向相反。

用于永磁同步电机需求的现有解决方案通常包括绝对位置编码器或旋转变压器(resolver)。旋转变压器由于其在恶劣汽车应用环境中呈现的高可靠性而成为市场上最主流的解决方案,通常也更耐受电磁干扰和高温。

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图2 旋转变压器示例[4]

感应电机

基于感应电机的应用在启动时不受与永磁同步解决方案相同的绝对位置反馈要求约束。由于启动时无需转子和定子之间直接的相位匹配,因此启动时转子将遵循任何给出的定子相位。

能够满足感应电机需求的现有解决方案通常使用旋转变压器或增量位置编码器,其中增量位置编码器在启动时提供的信息很少甚至没有(对于异步电机是可接受的),但是与旋转变压器及其绝对位置方案相比,还可以节省成本。虽然在启动时不必提供绝对位置,但由于可提供更高的可靠性,旋转变压器在使用感应电机的应用中仍然很常见。

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图3 增量编码与绝对编码示例[5]

低速性能

低速性能对于牵引电机至关重要。由于对于大多数牵引电机系统来说,较低速度是一种低效率模式,因此必须减轻由于电机控制不良而造成的任何额外功率损失。此外,对于正在开发的用于牵引电机的自动系统,例如自动停车和特斯拉的“智能召唤”功能,要求这些电机控制系统的反馈具有更高分辨率。

尽管诸如旋转变压器之类的模拟传感解决方案具有无限的分辨率,但牵引系统仍然受到控制器ADC分辨率和系统噪声等限制。增加ADC的位数(达到受系统噪声界定的程度),并降低系统噪声将导致更高分辨率。

编码器等数字感测解决方案(例如解决方案)具有内置的分辨率,根据每转感测到的输出跳变数而定。增加目标被感测特征数量将提高系统分辨率。

振动

像启动和低速一样,传感器和控制器对振动事件的响应在牵引电机系统性能中起着很大作用。牵引电机系统中存在多种形式的振动,如果未正确检测和/或正确处理,则所有振动都会产生潜在的误差,进而会在不同程度上影响控制系统的反馈回路,例如从角度的微小和暂时误差,到转子位置的完全错误计算,都会导致电机驱动不当和对安全至关重要的故障。缓解控制系统中振动所带来的影响在很大程度上取决于所使用的传感解决方案,因此,一些传感器的设计采用了高级算法,能够实现所期望的性能,而不会引起故障。这些与振动相关的技术似乎是一项新的进步,但在诸如变速器和曲轴传感器之类的特殊应用中,振动算法已经存在了很长时间。

旋转变压器和绝对位置编码传感器对振动事件非常牢固。如今,传感器能够处理并消除振动事件中的错误信号,将有效信号提供给控制器。对于这些解决方案,不需要对反馈系统的先行知识即可正常运行,并且控制器不需要额外的请求即可在振动事件后恢复。在振动事件期间,系统的响应完全取决于控制器,因为传感器将继续在每个采样上输出转子的精确位置。

增量式位置编码器可能会因振动事件而丢失和/或增加齿数,因此需要在传感器和控制器中更加精细,以减轻由于振动引起的影响。如果出现缺失或多出的齿数,则传感器和/或控制器可以根据振动的严重程度和齿数误差在不同程度上进行补偿。否则,直到识别出索引或同步信号为止(通常每转一次),转子位置可能会出现不同程度的误差。

市场趋势分析:启动、低速和振动

为了满足降低成本和扩大续航里程的市场需求,可以预期永磁同步电机将继续成为牵引电机受欢迎的解决方案,这已从特斯拉Model 3中的第一个同步电机解决方案设计中得到了证明。尽管特斯拉长期以来一直倡导使用感应电机解决方案,但为了使Model 3 [b]满足总体成本和效率要求[6],改用同步电机是绝对必要的。

随着用于电动车辆牵引系统的永磁同步电机持续发展,再加上为降低成本而不断增大的压力,汽车制造商需要寻找替代现有高成本旋转变压器和绝对位置编码器的解决方案。

另外,替代解决方案需要满足高分辨率输出要求,并且传感器和/或控制器方面必须具有牢固的算法,以满足对振动事件鲁棒性不断提高的需求,特别是更高功能安全性的要求。

电磁兼容(EMC)要求

EMC要求可能因不同的应用、器件和所在地区等而变化。总的趋势是,随着时间的流逝,EMC的牢固性已成为从OEM到1级和2级供应商的一项更为关键和严格要求,对于牵引电机市场尤其如此。随着更加复杂系统的开发,对系统中使用的组件要求越来越高,需要免受杂散电磁场的影响并能承受更高的电压、电流和其他电磁信号。另外,鉴于牵引电机系统等应用电气化程度不断提高,这些系统及其中包含的组件将需要适应严格的排放要求。

同样,出于对更具成本效益和更高效率牵引电机系统的需求,将会开发出更多的高压系统。这将要求部件承受的额定电压要比前几代产品高得多,这同样适用于内燃机或其他单电池/低压应用。

可靠性、功能安全性和ASIL要求

功能安全在汽车行业中变得越来越重要。大多数OEM都遵循ISO 26262标准,它定义了汽车安全完整性等级(ASIL)分类系统,使用ISO 26262标准可确保车辆使用寿命内的可靠性和故障管理。从最低风险到最高风险,ASIL的四个级别分别为A,B,C和D。随着越来越多的自动驾驶车辆开始使用,车辆系统越来越需要遵守更严格的安全要求,并且大多数系统将需要D级特性。

[b]应该注意的是,根据特斯拉Model 3的选配方案,提供的牵引电机可以是永磁同步电机,也可以是永磁同步电机和感应电机。

满足牵引电机趋势需求的解决方案

ATS17501 / A17501是单片集成电路(IC)解决方案,设计用于牵引电机系统中常见的铁磁齿轮或环形磁体目标的旋转位置感测。ATS17501采用4引脚单插直列封装(SIP)(“ SG”封装),其中集成有稀土背磁(rare-earth magnetic pellet),易于制造,在整个温度范围内具有稳定的应用性能,并能够提高可靠性(见图4)。A17501采用4引线SIP(“ K”封装)封装,当用背磁体正确地“反向偏置”时,可用于感测环形磁体或铁磁目标(见图4)。

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图4 SG封装(左)和K封装(右)。

传感器IC中集成了三个霍尔元件,因而能够在IC中创建两个独立的差分磁感测通道。这些输入由数字IC电路和强大的算法进行处理,旨在消除磁场和系统偏移中的有害影响,并解决由牵引电机系统中常见的启动和低速运行时目标振动引起的虚假输出瞬态。差分信号用于产生高精度速度输出,并在需要时提供有关旋转方向的信息。

先进的校准技术可用于优化信号偏移和幅度,这种校准与信号的数字跟踪相结合,可以在气隙、速度和温度等参数上产生准确的开关点。

传感器IC可以针对各种不同应用进行编程,以满足对双相齿轮速度和位置信号信息或同时具有高分辨率齿轮速度和方向信息等需求。

增量位置感测的实施

ATS17501 / A17501可通过使用ABZ编码来跟踪旋转齿轮的位置。双路输出能够产生正交的通道A和通道B信号。索引或通道Z信号通常由单独的传感器产生,这些信号可用于确定目标的旋转速度和方向。

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图5 ABZ编码。

先前的传感解决方案需要两个传感器才能获得通道A和通道B的正交信号。使用ATS17501或A17501,可以减少传感器、电线和线束的数量,从而降低整体系统成本和复杂性。

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图6 被ATS17501 / A17501取代的之前双传感器解决方案。

ATS17501 / A17501在牵引电机应用中的优势

高速度

ATS17501 / A17501非常适合牵引电机应用。这些传感器IC的最高工作频率为40 kHz,可以满足牵引电机对于高速开关不断增长的需求。

启动性能/算法

可选的算法用于确定何时从磁输入信号产生输出转换。对于所有选项,都在ATS17501/A17501中设置了一个阈值,当经过数字化磁信号(开关点)时,该阈值触发输出转换。若把传感器IC编程为使用“固定阈值”选项时,绝对阈值将存储在非易失性存储器中,以设置开关点的操作和释放点。该算法允许在上电后立即获得准确的输出转换,以获得一致的磁输入信号,而无需“学习”信号。存储在存储器中,并在上电期间加载的阈值包含针对温度的阈值水平,允许就温度对磁性输入信号进行偏移漂移调整。传感器IC包含一个温度传感器,可用于根据应用需要连续在温度范围内调节开关点。还可以将传感器编程为使用“动态阈值”选项,其中每个开关点都是根据有关先前目标特征信息计算得出。该算法能够实现鲁棒的跟踪,并针对不一致的磁输入信号(偏置漂移、幅度变化等)产生准确的输出转换。此外,可以对传感器进行编程,以使用“混合阈值”选项,即在启动时由“固定阈值”选项确定,然后在跟踪信号正确获取磁输入信号之后转换为“动态阈值”选项。

ATS17501和A17501还包含可抵消牵引电机系统中振动的负面影响的算法。当发生方向变化时,将暂停峰值跟踪信号的向内边界,以防止错误地根据振动信号设置来自开关点的错误输出转换。另外,一旦在振动事件之后真正的目标旋转恢复,就可以立即获取磁输入信号。

EMC鲁棒性

ATS17501 / A17501包含一个片上稳压器,可以在很宽的电源电压范围内工作。如果使用适当的外部组件,传感器则具有强大的EMC性能。

安全/ ASIL

ATS17501 / A17501包含有模拟和数字电路诊断监视器。在启用“故障检测模式”后,它们会连续监视并报告是否发现任何故障、计算错误或无效的输入激励。如果诊断监视器触发,则传感器IC可通过输出电压电平传达故障。对于所有故障,输出将保持在故障电压电平足够长时间,以允许系统控制器能够监测到已发生的故障。对于某些诊断,可以通过重置传感器IC的内部控制器来清除故障。如果这些诊断监视器中的任何一个触发了故障事件,则传感器IC在将输出保持在故障电压足够长时间后,传感器IC将自动执行内部控制器的复位,以允许系统控制器监测故障事件。启用故障检测模式可在断路或短路的情况下进行其他方式通信,在启用“故障检测模式”后,传感器IC可以在ASIL B(D)级别系统中使用。 ASIL D系统可以通过使用多个传感器来实现。

结束语

Allegro致力于不断改进,以提供能够满足牵引电机市场要求不断提高的创新产品,未来也会不断设计、测试和发布具有改进功能的新产品。请与Allegro联系以获取最新产品以及供货信息。



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