Reduser elbil-rekkeviddeangst og forbedre sikkerheten ved å bruke integrert FOC-motorstyring og avanserte sensorer

Konstruktører av systemer for elbiler (EV) og hybridelektriske kjøretøyer (HEV – ofte kalt xEV) er under konstant press om å levere flere kilometer per ladning, slik at både rekkeviddeangst og karbonfotavtrykk reduseres. Samtidig må de legge til flere motorer, sensorer, tilknyttet elektronikk, prosessorer og programvare for å møte høyere krav til kjøretøyautonomi, brukerfunksjoner og sikkerhet, og samtidig redusere kostnader.

Motorer til dører, vinduer, vifter for batterikjøling, radiatorvifter og -pumper, samt andre funksjoner, er et spesielt ømfintlig problem da disse ikke bare tilfører vekt, men også krever avanserte styringsalgoritmer som feltorientert styring (FOC) for å minimere støy og strømforbruk, samtidig som de sikrer jevn respons. Den overordnede systemkonstruksjonen kompliseres av behovet om å også oppfylle funksjonssikkerhetskravene i ISO 26262 og kvalitetsstandardene i AEC-Q100.

For å møte disse utfordringene kan konstruktører bruke en rekke kvalifiserte enheter for bilindustrien som gir høyere maskinvare- og programvarenivåer som forenkler konstruksjon og integrering av ulike funksjoner, samtidig som de reduserer antall deler og den samlede fysiske størrelsen.

Denne artikkelen tar for seg problemene som konstruktører av elbiler og hybridbiler står overfor. Den introduserer og viser deretter hvordan man bruker en svært integrert FOC børsteløs DC-motorstyring (BLDC – brushless direct current) og et tilknyttet evalueringskort som kan kickstarte en effektiv EV/HEV-motorkonstruksjon. Den presenterer også ulike sensorer som kan overvåke strøm, 3D-posisjon, hastighet og retning, alt fra én enkelt kilde, Allegro MicroSystems.

Utfordringer relatert til kostnader, sikkerhet og rekkeviddeangst som elbiler står overfor

Problemene som konstruktører av xEV-er må håndtere er mange, deriblant kjøretøykostnader, -sikkerhet og -pålitelighet – spesielt i lys av det økende nivået av kjøretøyautonomi, rekkevidde per lading (rekkeviddeangst) og batteripakke-levetid.

For å støtte sikkerhet og pålitelighet er det nødvendig med avanserte sensorer som oppfyller kravene til avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver assistance systems), slik det er definert i ISO 26262. Av kostnads- og rekkeviddehensyn har konstruktører valgt å bruke strømskinner med høyere spenning, opptil 800 volt, for å gi økt effektivitet og redusert kabelvekt, samtidig som de har dratt nytte av forbedringer i batteripakkens konstruksjon.

For eksempel har bedre termisk styring av batteriet bidratt til økt rekkevidde og lengre batterilevetid, mens forbedret kjøling for trekkraftinvertere i el- og hybridbiler bidrar til å øke strøm- og energitetthet og redusere vekt.

Selv om høyere integrasjonsnivåer av halvlederenheter muliggjør økt funksjonalitet med mindre vekt og plass, må de børsteløse DC-motorene som kreves for de nødvendige kjøleviftene styres nøyaktig for å optimalisere effektivitet. For å oppnå dette er det nyttig å inkludere avanserte motorstyringsalgoritmer, for eksempel FOC, på motorstyringens gate-driver.

Kjøling med høy ytelse

FOC muliggjør jevn drift av elektriske motorer over hele hastighetsområdet, og kan generere fullt dreiemoment ved oppstart. I tillegg kan FOC levere rask og jevn motorakselerasjon og -deselerasjon, en funksjon som er nyttig for nøyaktig styring i bevegelseskonstruksjoner med høy ytelse. FOC kan brukes til å utvikle høyeffektive, kompakte og stillegående lavspenningsdrivere (LV – low-voltage) (50 volt likestrøm (DC) og lavere) for en rekke børsteløse DC-motorer med høy ytelse på opptil 500 watt. Disse brukes vanligvis i xEV-batterikjølevifter med høy spenning (HV – high-voltage), varmeventilasjons- og klimaanleggblåsere og væskepumper for kjølesystemer i HV-trekkraftinvertere (figur 1).

Figur 1: FOC-motorstyringer kan bruke LV-batteristrøm til å kjøle xEV HV-batterier og HV-trekkraftinvertere. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

I konvensjonelle konstruksjoner implementeres FOC med eksterne sensorer ved hjelp av en mikrokontroller. Disse konstruksjonene, som kalles direkte FOC, kan være komplekse, og de har en tendens til å lide av redusert dynamisk respons fordi de er avhengige av eksterne sensorer for å måle motorens driftsparametere.

Ved å eliminere de eksterne sensorene er det er mulig å få en FOC med forbedret ytelse og lavere kostnader.

Informasjonen fra de manglende sensorene er fortsatt nødvendig for å implementere FOC og kan hentes fra spenningene og strømmene på motorterminalene fra den motelektromotoriske kraften (BEMF – back electromotive force) i motorviklingene. Selv om maskinvaren er enklere, krever implementeringen av sensorfri FOC mer kompleks styringsprogramvare.

En sensorfri FOC-algoritme kan aktivere den høyeste effektiviteten og dynamiske responsen, og samtidig minimere akustisk støy. Dette gir også en robust oppstart med åpen sløyfe for de gangene motoren står stille når det ikke er noen BEMF-informasjon tilgjengelig.

Enkel FOC for kjølevifter og pumper i kjøretøy

Selv om de fleste FOC BLDC-driverne krever at programvareutviklere skriver og porterer algoritmen til en mikroprosessor eller mikrokontroller, integrerer A89307KETSR-J fra Allegro MicroSystems den sensorfrie FOC-algoritmen direkte i portdriveren. A89307KETSR-J har kun fem eksterne passive komponenter (fire kondensatorer og én motstand), og minimerer materiallisten (BOM), forbedrer påliteligheten og reduserer konstruksjonskompleksiteten (figur 2).

Figur 2: En typisk A89307KETSR-J xEV-krets for batteripakkens kjøleviftekonstruksjon viser de fem eksterne komponentene: fire kondensatorer og én motstand. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J-gate-driveren fungerer fra 5,5 til 50 volt likestrøm. Den integrerte FOC-algoritmen omfatter konstant dreiemoment og konstant effekt, samt driftsmoduser med åpen sløyfe og konstant hastighet. A89307KETSR-J omfatter innganger for pulsbreddemodulasjon (PWM) eller hastighetsstyring for klokkemodus, bremsing og retning, og utgangssignaler for feiltilstander og motorhastighet (figur 3).

Figur 3: Det interne blokkskjemaet til A89307KETSR-J viser FOC-styringen (midten), pulsbreddemodulatoren (PWM) eller klokkemodushastighetsstyringen (SPD), brems (BRAKE)- og retning (DIR)-innganger (til venstre), og feil (FAULT)- og motorhastighet (FG)-utganger (også til venstre). (Bilde: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J er optimalisert for å drive eksterne N-kanal effekt-MOSFET-er med lav-på-motstand. Den kan levere de store spisstrømmene for drift som trengs for å raskt slå MOSFET-ene «på» (on ) og «av» (off) for å minimere effekttap under veksling, noe som forbedrer driftseffektiviteten og reduserer bekymringer relatert til varmestyring. Flere gate-driver-nivåer er tilgjengelige, noe som gjør det mulig for konstruktører å optimalisere kompromisset mellom elektromagnetisk interferens (EMI)-utslipp og effektivitet. Rask aktivering av MOSFET-ene reduserer vekslingstap, men øker EMI, mens langsommere MOSFET-aktivering reduserer EMI, der kompromisset er økt vekslingstap og lavere effektivitet.

Motorhastighet kan styres gjennom pulsbreddemodulasjon (PWM)-, analog- eller klokke (CLOCK)-inngang. Hastighetsstyring med lukket sløyfe er et alternativ, med et programmerbart frekvensforhold mellom omdreining per minutt og klokke (RPM-to-clock). Den sensorfrie oppstartsstyringen omfatter deteksjon og synkronisering av forrotasjon (vindmølle) forover og i revers, slik at A89307KETSR-J kan kjøre over et bredt spekter av motor- og lastkonfigurasjoner.

Allegro MicroSystems sin ikke-revers-oppstartsalgoritme forbedrer også oppstartsytelsen. Motoren vil starte i riktig retning etter oppstart uten vibrasjoner eller risting i revers. Myk-på-myk-av (Soft-On-Soft-Off)-funksjonen øker strømmen gradvis til motoren med «på»-kommandoen (vindmølletilstand), og reduserer gradvis strømmen fra motoren med «av»-kommandoen, noe som ytterligere reduserer den akustiske støyen (figur 4).

Figur 4: A89307KETSR-J-strømbølgeformene for myk «på» (øverst) og myk «av» (nederst) resulterer i jevn motordrift og redusert akustisk støy. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J omfatter et I2C-grensesnitt for innstilling av motorens klassifiserte strøm, spenning, hastighet, motstand og oppstartsprofil. I2C implementerer også på/av og hastighetsstyring, samt tilbakekobling på hastighet og feilsignaler.

Sensorfritt FOC-evalueringskort

Konstruktører kan bruke APEK89307KET-01-T-DK-evalueringskortet og tilknyttet programvare til å fremskynde utviklingen av FOC-baserte børsteløse DC-motordrivverk ved hjelp av A89307KETSR-J (figur 5). Dette kortet inkluderer A89307KETSR-J med tilgang til alle inngangs- og utgangspinner samt et komplett trefaset effekttrinn for drift av en børsteløs DC-motor. Konstruktører kan velge FOC-drivparametere ved å bruke et enkelt grafisk brukergrensesnitt (GUI) og laste dem inn i den integrerte EEPROM-en. Det minimale materiallistebehovet for A89307KETSR-J muliggjør konstruksjon av drivverk som passer på innsiden av motorhuset, noe som ytterligere reduserer løsningens størrelse.

Figur 5: APEK89307KET-01-T-DK-evalueringskortet har A89307KETSR-J (U1, midt på venstre side av kortet) og seks effekt-MOSFET-er (høyre side) som kan drive en børsteløs DC-motor. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

ADAS-sensorer

Konstruktører av xEV-systemer må detektere strømnivåer i motordrivverk, DC-DC-omformere og invertere, samt rotasjonsposisjonene til gassventiler og sylindere, og hastigheten og retningen til girene i transmisjoner for å implementere kompakte og kostnadseffektive ADAS-funksjoner. Allegro MicroSystems tilbyr en rekke sensorløsninger for ADAS, deriblant:

Strømdeteksjon: ACS72981KLRATR-150B3 gir konstruktører prisgunstig og nøyaktig AC- eller DC-strømdeteksjon. Denne svært nøyaktige lineære Hall-effekt-strømsensoren har en båndbredde på 250 kilohertz (kHz) og er konstruert for bruksområder som motorstyring, DC-DC-omformerstyring, inverterstyring og lastdeteksjon og -behandling. Den er en AEC-Q100-kvalifisert IC med en responstid på <2 mikrosekunder (µs), så den støtter behovene til rask deteksjon av overstrøm i sikkerhetskritiske konstruksjoner.

3D-posisjonsdeteksjon: Kontaktløs lineær og roterende 3D-magnetisk posisjonsdeteksjon for gass, ventil, sylinder og transmisjon kan raskt implementeres ved hjelp av Allegro MicroSystems sin A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC. Enheten kan måle rotasjonsbevegelse i horisontale og vertikale plan, samt måle lineærbevegelse side til side eller front til bak (figur 6).

Figur 6: A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3D-posisjonssensoren kan måle rotasjonsbevegelse i horisontale og vertikale plan, samt måle lineærbevegelse side til side eller front til bak. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

A31315LOLATR-XY-S-SE-10-sensoren gir konstruktører valget mellom ratiometriske analoge, pulsbreddemodulator eller SAE J2716 SENT-utgangsformater (SENT – single edge nibble transmission). Den ble utviklet for å oppfylle ISO 26262 ASIL B (enkelstøp, i en SOIC-8-kapsling) og ASIL D (redundant dobbelstøp, i en TSSOP-14-kapsling) i sikkerhetsrelaterte kjøretøysystemer.

Hastighet og retning: ATS19520LSNBTN-RSWHPYU er en vibrasjonstolerant differensiell girtannsensor med Hall-effekttransmisjon for hastighet og retning, der modeller er tilgjengelig for forover- og bakoverrettet retningsdeteksjon (figur 7).

Figur 7: Den viste «F»-varianten av ATS19520 måler fremoverrotasjon når en tann på tannhjulet passerer fra pinne 1 til pinne 3 (øverst), og bakoverrotasjon når en tann på tannhjulet passerer fra pinne 3 til pinne 1 (nederst). «R»-varianten måler rotasjonen i motsatte retninger. (Bildekilde: Allegro MicroSystems)

Den ISO 26262 ASIL B-klassifiserte sensoren har integrert diagnostikk og er egnet for bruk i xEV-drivverk. Den tre-pinners SIP-en (SIP – single-in-line package) inkluderer en integrert motbiasmagnet (back bias magnet) som kan måle hastigheten og retningen til roterende jernholdige mål, og en integrert kondensator for å sikre elektromagnetisk kompatibilitet.

Konklusjon

Integrerte sensorfrie FOC børsteløse DC-motordrivere, kombinert med strømsensorer, magnetiske posisjonssensorer og rotasjonssensorer, er viktige komponenter som muliggjør konstruksjon av effektive og sikre xEV-er med større kjørerekkevidder og lavere karbonfotavtrykk. Bruk av FOC-motordrivere gjør det mulig å konstruere mer effektive og stillegående kjølesystemer med forbedret dynamisk respons for batteripakker og trekkraftinvertere. Sensorer som er kompakte, nøyaktige og energieffektive er avgjørende for utviklingen av xEV-er som oppfyller kravene til pålitelighet i avanserte førerassistentsystemer og kravene til funksjonssikkerhet i ISO 26262.

Anbefalt lesing

1. Innovativ strømdeteksjon for elektrifisering av kjøretøyer
2. Effektiv implementering av SiC-strømutstyr for elektriske kjøretøyer med lengre rekkevidde