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电机节能技术让电动汽车更环保

作者: 时间:2023-01-19 来源:Mouser 收藏

自《巴黎协定》推行签署以来,全球经济脱碳已成共识。而在全球石油消耗的总量中,交通运输占据了10%以上,其中公路交通为主要占比。因此推动传统燃油汽车向新能源汽车转型,是实现节能减排的重要途径之一。据IHS预测,要达到2050年净零排放的目标,2030年汽车电气化的占比就应达到60%以上。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202301/442751.htm


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图1:净零排放需求推高了轻型车辆中xEV的占比

(图源:IHS)


电驱能效提高,实现更长续航


虽然当前的发展获得了来自“双碳”政策的推动,但大部分消费者仍面临着里程焦虑的困扰,因此尚不能全面替代燃油车成为出行首选。


要快速实现汽车行业电气化转型,需要达到与燃油车一致的驾乘里程,这其中涉及到了充电、电池管理和电机驱动等多项技术发展。从充电方面来看,充电速度需要进一步提升,超充站、换电站等基建要跟得上;从电池方面来看,电池的容量、充放电效率要进一步提高;从电机驱动方面来看,整体驱动系统的能效也要进一步提高。


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图2:来自韩国现代汽车统计表明,续航里程和充电体验仍是消费者选购EV时最关心的参数

(图源:现代汽车官网)


一辆电动汽车最为重要的构成就是“三大电”,即电池、电机和电驱系统。其中电机是构成电动汽车动力系统的核心部件,是其行驶中的执行结构。而进行主电机控制的主驱逆变器(Traction Inverter),堪称电动汽车的心脏,它负责将电池能量转换成控制速度和扭矩的动力。


主驱逆变器和其所控制的电动机的响应速度将会直接影响驾驶感受,决定了汽车行驶的主要性能指标。不同的控制和驱动特性调教,可以为不同类型车辆带来不同驾驶表现。如果电机控制做得不够好,动力系统效率会大幅降低,甚至电机也容易发热损坏。


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图3:电动汽车“三大电”

(图源:Silicon Mobility)


扭矩和电机尺寸成正比,而功率决定了电机扭矩和速度。在不影响功率水平的情况下,要想追求汽车整体的续航设计目标,延长行驶里程,同时减小电气尺寸和重量,就只能提高转速。这意味着牵引电机需要以更高速运行(>30,000 rpm),这也就对牵引逆变器提出了更高的要求,需要实现更快速感测和处理。


典型的主驱逆变器方案中包括控制模块、驱动器、功率变换器以及多种传感器。控制模块负责接收驾驶者给出的加速减速等指令,将其转换成驱动器能够接收的驱动信号;驱动器接收来自控制器的指令,将其转换成对逆变器中可控硅的通断指令;功率变换器的部分主要是由逆变器构成,接收到驱动器的信号后,对电机的电流电压进行控制。另外,驱动器除了驱动之外,还作为保护装置,提供过压、过流、故障监测等保护功能。而功率变换部分,则可根据不同需求,选择IGBT或SiC方案。


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图4:典型主驱逆变器方案由控制器、驱动电路和功率级组成

(图源:安森美)


近年来随着技术发展,追求高能效成为了电驱设计的关键。牵引逆变器的设计趋势包括:采用更高算力芯片和更为先进的控制算法;使用SiC MOSFET作为功率级的开关晶体管;使用高压800V电池和多子系统集成以获得高功率密度。


通过精准电流传感器,结合智能MCU和先进控制算法可以让电机控制回路准确性提升,从而减少延迟并提升效率;SiC功率器件的开关频率比IGBT更高,因此可以将更多电池输入转化为可用的电机输出,并且改善了开关损耗、传导损耗和导热系数,逆变器体积也可以做到更小,实现更高的能效。


从更高的整车系统层面的考虑,业界也正在推进将动力系统集成,即将车载充电器、DC/DC 转换器和主驱逆变器等独立系统组合到单个域控制器下,实现单个紧凑机械外壳中的统一集成,从整车的角度提升功率密度。


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图5:逆变器采用SiC相比IGBT能效更高

(图源:Institute of Electrical and Electronics Engineers)


选择合适器件,实现高效电驱设计


从燃油车迈向电气化,芯片在汽车中的作用更为重要。为实现电机的高能效设计目标,就需要选择高性能的器件。


电机控制器


电机控制的选择上,给大家推荐安森美(onsemi)的LV8907UW BLDC电机控制器,该器件在贸泽电子上的料号为LV8907UWR2G。这是一款高性能、无传感器三相器件,设有集成式栅极驱动器和两级电荷泵。该器件可为各种超低RDS(ON)型外部N-MOSFET提供所需的栅极电流,并具有过流、过压、短路、欠压及过热等保护特性。工作电压范围为5.5V至20V,并采用梯形或正弦反EMF(电动势)反馈。


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图6:LV8907UWR2G框图

(图源:贸泽电子)


LV8907UW BLDC电机控制器支持开环和闭环速度控制,设有用户可配置的启动、速度设置以及比例/积分(PI)控制系数,非常适合用于各种电机和负载组合。LV8907具有高集成度(内置用于为外部电路供电的线性稳压器)、看门狗定时器以及本地互联网络(LIN)收发器。LV8907采用紧凑的48引脚SPQFP48封装,提供极为小巧的解决方案尺寸。


另外针对步进电机的应用,可以选择Toshiba的TB9120AFTG汽车步进电机驱动器,该器件在贸泽电子上的料号为TB9120AFTG(EL)。这是一款恒流、两相、双极步进电机驱动器,具有时钟输入接口和PWM恒流控制系统,适合用于各种使用步进电机的常见汽车应用。该产品支持全步进至1/32步进可选激励模式,实现了更低的电机噪声和更流畅的控制。


栅极驱动器


栅极驱动器的选择上给大家推荐安森美的LV8968BBUW栅极驱动器,该器件在贸泽电子上的料号为LV8968BBUWR2G。这是一款三相BLDC/PMSM前置驱动器,集成了相位电压检测和逻辑电平FET兼容性。该栅极驱动器为外部电源桥提供400mA栅极电流,支持低电阻功率FET和逻辑电平FET。


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图7:LV8968BBUW框图

(图源:贸泽电子)


LV8968BBUW栅极驱动器具有可编程线性稳压器、快速电流检测放大器和支持微控制器的窗口看门狗。该栅极驱动器具有宽工作范围,符合AEC-Q100标准,非常适合用于汽车应用。LV8968BBUW栅极驱动器还具有适用于ISO26262应用的保护和监控特性。


为了更快地进行栅极驱动器的评定,工程师们也可以考虑直接选择相应的评估板。在这里给大家推荐安森美的LV8968BB评估板,这是一款适用于8V至25V应用的通用汽车三相栅极驱动器,该评估板在贸泽电子上的料号是LV8968BBGEVB。该评估板配有各种可选外设,支持实现从简单的无传感器BEMF换向到复杂的磁场定向算法等各种电机控制。为方便和电机控制器进行通信,该评估板设有用于连接微控制器的接口和用于Arduino DUE的插入式接口。


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图8:LV8968BB实物图

(图源:贸泽电子)


除上述驱动器件外,其他晶体管的选型也应仔细考量。针对12V至48V电池系统的各种汽车应用,可以选择东芝的汽车级N/P沟道SSMx MOSFET,该系列实现了高水平的低导通电阻,因此可以进一步降低能量损耗。该系列在贸泽电子上给大家推荐的料号为SSM3J145TU,LXHF。


此外,还可以通过使用高集成度的元器件来进一步缩小系统尺寸,提升系统整体功率密度。东芝的RN汽车用内置偏置电阻型晶体管,针对开关、逆变器电路、接口连接和驱动器电路应用优化。通过内部集成偏置电阻,从而进一步减少了外围元件。该系列在贸泽电子上给大家推荐的料号为RN2101MFV,L3XHF(CT。


以上所有的元器件,均可在贸泽电子的官网获取信息并实现采购。作为知名的电子元器件分销商,贸泽电子长期关注汽车电气化转型,为广大工程师提供广泛的车规级芯片选择。


总结


做好电机控制是电动汽车实现高续航、高性能驾乘体验的关键要素。为了实现更高的功率密度,行业已经推进采用SiC MOSFET、800V电池系统和动力系统集成等技术路线,而这些新技术的推进,也对工程师提出了新的设计挑战。


选择先进的器件、模块和方案是实现高效电机驱动设计的关键。贸泽电子提供丰富的电机驱动相关器件,助力碳中和之路上的电气化转型。


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