Mniejsze obawy dotyczące zasięgu pojazdów elektrycznych (EV) i większe bezpieczeństwo dzięki użyciu zintegrowanego sterowania polowo-zorientowanego silnikami i zaawansowanych czujników

Projektanci systemów pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) (często określanych jako xEV) są pod ciągłą presją, aby gwarantować możliwość przebycia jak największej liczby kilometrów na jednym ładowaniu, aby zmniejszyć obawy związane z zasięgiem tych pojazdów i zmniejszyć ich ślad węglowy. Jednocześnie muszą dodawać więcej silników, czujników, powiązanej elektroniki, procesorów i oprogramowania, aby sprostać wyższym poziomom autonomii pojazdu, funkcji użytkownika i bezpieczeństwa, jednocześnie obniżając koszty.

Silniki do drzwi, okien, wentylatory chłodzące akumulatory, wentylatory chłodnicy i pompy oraz inne funkcje są szczególnie kłopotliwe, ponieważ nie tylko zwiększają wagę, ale także wymagają zaawansowanych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie polowo-zorientowane (FOC), aby zminimalizować zakłócenia i zużycie energii, przy jednoczesnym zapewnieniu płynnej reakcji. Cały proces projektowania systemu jest skomplikowany ze względu na konieczność spełnienia wymagań bezpieczeństwa funkcjonalnego zawartych w normie ISO 26262 oraz standardów jakości zawartych w normie AEC-Q100.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą sięgnąć po różnorodne urządzenia dopuszczone do stosowania w branży motoryzacyjnej zapewniające wyższy poziom zaawansowania sprzętu i oprogramowania, które upraszczają projektowanie oraz integrację różnych funkcji, przy jednoczesnej redukcji liczby części i zajmowanego miejsca.

W tym artykule omówiono problemy, z jakimi borykają się projektanci pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV i HEV). Przedstawiono także sposoby wykorzystania wysoce zintegrowanego kontrolera silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) do sterowania polowo-zorientowanego (FOC) i powiązanej płytki ewaluacyjnej w celu ułatwienia projektowania wydajnej konstrukcji silnika do pojazdów EV/HEV. Przedstawiono też różne czujniki do monitorowania prądu, pozycji 3D, prędkości i kierunku. Wszystkie te komponenty pochodzą od jednej firmy, Allegro MicroSystems.

Problemy związane z kosztami, bezpieczeństwem i zasięgiem występujące w pojazdach elektrycznych

Problemów, które projektanci pojazdów elektrycznych i hybrydowych (xEV) muszą rozwiązać, jest wiele, a niektóre z nich to koszt pojazdu, bezpieczeństwo i niezawodność - zwłaszcza w świetle rosnącego poziomu autonomii pojazdu, zasięgu na jednym ładowaniu (obawy dotyczące zasięgu) i okresu użytkowania pakietu baterii.

Aby wspierać bezpieczeństwo i niezawodność, potrzebne są zaawansowane czujniki, które spełniają wymagania zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) zgodnie z normą ISO 26262. Jeśli chodzi o koszty i zasięg, projektanci zwrócili się w kierunku szyn zasilających o wyższym napięciu (do 800V), aby uzyskać większą sprawność i zmniejszyć wagę kabli, a także wykorzystać ulepszenia konstrukcji pakietów baterii.

Na przykład lepsze odprowadzanie ciepła baterii przyczyniło się do większego zasięgu jazdy i dłuższego okres eksploatacji baterii, a udoskonalenie chłodzenia przemienników trakcyjnych pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV) pomaga zwiększyć moc i gęstość energii oraz zmniejszyć wagę.

Wyższy poziom integracji urządzeń półprzewodnikowych zapewnia większą funkcjonalność przy mniejszej wadze i mniejszej przestrzeni, jednak silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) napędzające niezbędne wentylatory chłodzące wymagają precyzyjnego sterowania w celu optymalizacji sprawności. Aby to osiągnąć, w sterowniku bramki kontrolera silnika można zastosować zaawansowane algorytmy sterowania silnikiem, takie jak sterowanie polowo-zorientowane (FOC).

Wysokowydajne chłodzenie

Sterowanie polowo-zorientowane (FOC) umożliwia płynną pracę silników elektrycznych w całym zakresie prędkości i może generować pełny moment obrotowy przy rozruchu. Ponadto sterowanie FOC zapewnia szybkie i płynne przyspieszanie i zwalnianie silnika, co jest przydatne do dokładnego sterowania w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności ruchu. Sterowanie polowo-zorientowane (FOC) można wykorzystać do opracowywania kompaktowych i cichych sterowników niskonapięciowych (LV) (50V= i niższych) o wysokiej sprawności dla szeregu wysokowydajnych bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC) o mocy do 500W. Są one zwykle stosowane w wysokonapięciowych (HV) wentylatorach chłodzących baterie pojazdów xEV, a także w dmuchawach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz pompach cieczy w układach chłodzenia przemienników trakcyjnych wysokiego napięcia (HV) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: kontrolery silników wykorzystujące sterowanie polowo-zorientowane (FOC) mogą wykorzystywać bateryjne zasilanie niskiego napięcia (LV) do chłodzenia akumulatorów przemienników trakcyjnych wysokiego napięcia (HV) w pojazdach xEV. (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

W konwencjonalnych konstrukcjach sterowanie polowo-zorientowane (FOC) jest realizowane z użyciem zewnętrznych czujników wykorzystujących mikrokontroler. Takie konstrukcje, nazywane bezpośrednim sterowaniem polowo-zorientowanym mogą być złożone i zwykle ich bolączką jest gorsza odpowiedź dynamiczna wynikająca z polegania na zewnętrznych czujnikach mierzących parametry pracy silnika.

Sterowanie polowo-zorientowane o zwiększonej wydajności i niższych kosztach jest możliwe dzięki wyeliminowaniu czujników zewnętrznych.

Niemniej informacje z brakujących czujników są nadal potrzebne dla wdrożenia sterowania polowo-zorientowanego. Można je wydobyć z napięć i natężeń prądu na zaciskach silnika powodowanych przez siłę przeciwelektromotoryczną w uzwojeniach silnika. Chociaż sprzęt jest prostszy, wdrożenie bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego wymaga bardziej złożonego oprogramowania sterującego.

Algorytm bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC) może zapewnić najwyższą sprawność i odpowiedź dynamiczną przy jednoczesnej minimalizacji hałasu akustycznego. Zapewnia również elastyczność rozruchu w otwartej pętli, gdy silnik jest zatrzymany i brak jest dostępnych informacji o sile przeciwelektromotorycznej (BEMF).

Łatwe sterowanie polowo-zorientowane samochodowych wentylatorów i pomp chłodzących

Większość sterowników silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) wykorzystujących sterowanie polowo-zorientowane (FOC) wymaga od deweloperów zapisania i przeniesienia algorytmu do mikroprocesora lub mikrokontrolera, jednak w przypadku sterownika A89307KETSR-J firmy Allegro MicroSystems bezczujnikowy algorytm sterowania polowo-zorientowanego (FOC) jest bezpośrednio wbudowany w sterownik bramek. Dysponując zaledwie pięcioma zewnętrznymi komponentami pasywnymi (cztery kondensatory i jeden rezystor), sterownik A89307KETSR-J minimalizuje również wykaz materiałów (BOM), poprawia niezawodność i zmniejsza złożoność projektu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: typowy obwód realizacji wentylatora chłodzącego pakiet baterii pojazdu xEV ze sterownikiem A89307KETSR-J zawiera pięć komponentów zewnętrznych: cztery kondensatory i jeden rezystor. (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Sterownik bramek A89307KETSR-J działa w zakresie napięć prądu stałego od 5,5V do 50V. Zintegrowany algorytm sterowania polowo-zorientowanego (FOC) obejmuje tryby stałego momentu obrotowego i stałej mocy, a także pracy w pętli otwartej ze stałą prędkością. Sterownik A89307KETSR-J odbiera sygnały wejściowe sterowania prędkością w trybie modulacji szerokości impulsu (PWM) lub w trybie zegara, hamowania oraz zmiany kierunku, a generuje sygnały wyjściowe dla stanów usterek i prędkości silnika (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wewnętrzny schemat blokowy sterownika A89307KETSR-J ukazuje kontroler sterowania polowo-zorientowanego (FOC) (w środku), wejścia sterowania prędkością (SPD) w trybie modulacji szerokości impulsu (PWM) lub trybie zegara (SPD), wejścia hamowania (BRAKE) i kierunku (DIR) (po lewej) oraz wyjścia usterek (FAULT) i wyjścia prędkości silnika (FG) (również po lewej stronie). (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Sterownik A89307KETSR-J jest zoptymalizowany pod kątem obsługi zewnętrznych tranzystorów mocy MOSFET z kanałem N o niskiej rezystancji w stanie włączenia. Może dostarczać duże szczytowe prądy sterujące potrzebne do szybkiego włączania i wyłączania tranzystorów MOSFET w celu zminimalizowania strat mocy podczas przełączania, poprawy sprawności operacyjnej i zmniejszenia problemów związanych z odprowadzaniem ciepła. Dostępnych jest wiele poziomów sterowania bramkami, co pozwala projektantom na optymalizację kompromisu pomiędzy emisją zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) a sprawnością. Szybkie włączanie tranzystorów MOSFET zmniejsza straty przełączania, ale zwiększa zakłócenia elektromagnetyczne, podczas gdy przy wolniejszym włączaniu tranzystorów MOSFET zakłócenia te są mniejsze. Kompromis polega na zwiększeniu strat przełączania i zmniejszeniu sprawności.

Prędkością silnika można sterować przez wejście modulacji szerokości impulsu (PWM), wejście analogowe lub zegarowe (CLOCK). Sterowanie prędkością w pętli zamkniętej jest funkcją opcjonalną, w przypadku której stosunek prędkości w obrotach na minutę do częstotliwości zegara jest parametrem programowalnym. Bezczujnikowe sterowanie rozruchem obejmuje wykrywanie i synchronizację obrotów wstępnych do przodu i do tyłu (wiatrak), dzięki którym sterownik A89307KETSR-J może działać w szerokim zakresie konfiguracji silnika i obciążeń.

Dodatkowo parametry rozruchu poprawia algorytm rozruchu przeciwwstecznego firmy Allegro MicroSystems. Silnik uruchomi się we właściwym kierunku po włączeniu, bez wstecznych wibracji lub wstrząsów. Funkcja płynnego włączania i wyłączania stopniowo zwiększa natężenie prądu dostarczanego do silnika po wydaniu polecenia włączenia (stan wiatraka) i stopniowo zmniejsza natężenie prądu płynącego z silnika po wydaniu polecenia wyłączenia, jeszcze bardziej redukując hałas akustyczny (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przebiegi prądu A89307KETSR-J dla płynnego włączania (u góry) i płynnego wyłączania (na dole) zapewniają płynną pracę silnika i zmniejszenie hałasu akustycznego. (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Sterownik A89307KETSR-J zawiera interfejs I2C do ustawiania znamionowego prądu, napięcia, prędkości, rezystancji i profilu rozruchowego silnika. Interfejs I2C obsługuje również włączanie/wyłączanie i sterowanie prędkością, a także sprzężenie zwrotne prędkości i sygnały usterek.

Płytka ewaluacyjna bezczujnikowego sterowania polowo-zorientowanego (FOC)

Płytka ewaluacyjna APEK89307KET-01-T-DK i powiązane z nią oprogramowanie pozwala projektantom przyspieszyć proces opracowywania napędów z użyciem silników bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) opartych na sterowaniu polowo-zorientowanym (FOC) z wykorzystaniem sterownika A89307KETSR-J (ilustracja 5). Wspomniana płytka zawiera sterownik A89307KETSR-J z dostępem do wszystkich styków wejściowych i wyjściowych oraz kompletny trójfazowy stopień mocy do zasilania silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC). Projektanci mogą wybrać parametry sterownika polowo-zorientowanego (FOC) za pomocą prostego graficznego interfejsu użytkownika (GUI) i wczytać je do wbudowanej pamięci EEPROM. Minimalny wykaz materiałów BOM sterownika A89307KETSR-J umożliwia projektowanie napędów mieszczących się wewnątrz obudowy silnika, co dodatkowo zmniejsza rozmiary rozwiązania.

Ilustracja 5: płytka ewaluacyjna APEK89307KET-01-T-DK posiada sterownik A89307KETSR-J (U1, środkowa lewa strona płytki) i sześć tranzystorów MOSFET (prawa strona) do zasilania silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC). (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Czujniki do zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS)

W celu wdrożenia kompaktowych i ekonomicznych funkcji zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) w pojazdach xEV projektanci systemów muszą zadbać o pomiar poziomów natężenia prądu w napędach silnikowych, przetwornicach prądu stałego i przemiennikach, a także wykrywanie pozycji obrotowych zaworów przepustnicy i siłowników oraz prędkości i kierunku pracy kół zębatych w układach przeniesienia napędu. Firma Allegro MicroSystems oferuje różnorodne rozwiązania czujnikowe do zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy, jak na przykład:

Pomiar prądu: czujnik ACS72981KLRATR-150B3 zapewnia projektantom ekonomiczny i precyzyjny pomiar prądu stałego i zmiennego. Ten precyzyjny liniowy czujnik prądu z efektem Halla ma szerokość pasma 250kHz i jest przeznaczony do stosowania w sterowaniu silnikami, przetwornicami prądu stałego, przemiennikami oraz w wykrywaniu obciążenia i zarządzaniu nim. Jest to układ scalony z certyfikatem AEC-Q100, którego czas odpowiedzi wynosi <2µs, co pozwala na szybkie wykrywanie usterek nadmiernych prądów w rozwiązaniach o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

Pomiar pozycji 3D: bezdotykowy, liniowy i obrotowy magnetyczny pomiar pozycji 3D przepustnicy, zaworów, siłowników i przekładni można szybko wdrożyć za pomocą układu scalonego 3DMAG A31315LOLATR-XY-S-SE-10 firmy Allegro MicroSystems. Urządzenie może mierzyć ruch obrotowy w płaszczyźnie poziomej i pionowej oraz ruch liniowy w poprzek lub wzdłuż (ilustracja 6).

Ilustracja 6: czujnik pozycji 3D A31315LOLATR-XY-S-SE-10 może mierzyć ruch obrotowy w płaszczyźnie poziomej i pionowej oraz mierzyć ruch liniowy w poprzek i wzdłuż. (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Czujnik A31315LOLATR-XY-S-SE-10 daje projektantom możliwość wyboru formatów wyjściowych ratiometrycznych analogowych, PWM lub SAE J2716 SENT. Został on opracowany z myślą o spełnieniu wymagań normy ISO 26262 ASIL B (pojedyncza struktura, w obudowie SOIC-8) i ASIL D (redundantne dwie struktury, w obudowie TSSOP-14) w motoryzacyjnych systemach bezpieczeństwa.

Prędkość i kierunek: czujnik ATS19520LSNBTN-RSWHPYU to odporny na wibracje, różnicowy zębaty czujnik z efektem Halla do pomiaru prędkości i kierunku pracy przekładni napędowych, dostępny w modelach z wykrywaniem kierunku do przodu i do tyłu (ilustracja 7).

Ilustracja 7: przedstawiony wariant „F” czujnika ATS19520 mierzy obroty do przodu, gdy ząb koła zębatego przechodzi w kierunku od wtyku 1 do wtyku 3 (u góry), oraz obroty do tyłu, gdy ząb koła zębatego przechodzi w kierunku od wtyku 3 do wtyku 1 (u dołu). Wariant „R” mierzy obroty w przeciwnych kierunkach. (Źródło ilustracji: Allegro MicroSystems)

Czujnik zgodny z normą ISO 26262 ASIL B posiada zintegrowane funkcje diagnostyczne i nadaje się do stosowania w układach napędowych pojazdów xEV. Omawiany trzywtykowy komponent w obudowie SIP zawiera zintegrowany magnes polaryzacji zaporowej do pomiaru prędkości i kierunku obracających się obiektów ferromagnetycznych oraz zintegrowany kondensator zapewniający kompatybilność elektromagnetyczną.

Podsumowanie

Zintegrowane napędy silnikowe z bezczujnikowym sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC) bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC), wraz z czujnikami prądu, magnetycznymi czujnikami pozycji i czujnikami obrotu, są kluczowymi komponentami umożliwiającymi projektowanie wydajnych i bezpiecznych pojazdów xEV o większym zasięgu i mniejszym śladzie węglowym. W szczególności zastosowanie napędów silnikowych ze sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC) umożliwia projektowanie wydajniejszych i cichszych systemów chłodzenia pakietów baterii i przemienników trakcyjnych z poprawioną odpowiedzią dynamiczną. Z kolei kompaktowe, dokładne i energooszczędne czujniki mają kluczowe znaczenie dla rozwoju pojazdów xEV spełniających wymagania niezawodnościowe stawiane zaawansowanym systemom wspomagania kierowcy oraz wymogi bezpieczeństwa funkcjonalnego określone normą ISO 26262.

Rekomendowane artykuły

1. Innowacyjne metody pomiaru prądu w pojazdach elektrycznych
2. Efektywne wdrażanie urządzeń zasilających SiC w pojazdach elektrycznych o zwiększonym zasięgu