Az elektromos járművek hatótávolságával kapcsolatos aggodalmak enyhítése és a biztonság javítása mezőorientált szabályozást megvalósító integrált motorvezérléssel és korszerű érzékelőkkel

A teljesen elektromos (EV) és a hibrid elektromos járművek (HEV) rendszereinek tervezőire folyamatos nyomás nehezedik, hogy növeljék az egy töltéssel megtehető kilométerek számát, ami enyhítheti a hatótávolsággal és a járművek szénlábnyomával kapcsolatos aggodalmakat. Ugyanakkor több motort, érzékelőt, kapcsolódó elektronikát, processzort és szoftvert kell beépíteniük, hogy növeljék a jármű autonómiáját, a felhasználói funkciók számát és jobbá tegyék az utasok biztonságát, de mindezt az összköltségek csökkentett mellett.

Az ajtók, ablakok, akkumulátor-hűtőventilátorok, klímaventilátorok és -szivattyúk, valamint a más egyéb funkciók motorjai egy különösen kényes téma, mivel nem csak a súlyt növelik, hanem működésükhöz korszerű vezérlési algoritmusokra is szükség van, például mezőorientált szabályozásra (FOC) a zaj és az energiafogyasztás minimalizálása érdekében, de úgy, hogy közben a berendezések zökkenőmentes reagálása is biztosítva legyen. Az általános rendszertervezési feladatot bonyolítja az is, hogy az ISO 26262 funkcionális biztonsági követelményeknek és az AEC-Q100 minőségi szabványoknak is meg kell felelni.

E problémák megoldására a tervezők számos, magasabb szintű hardvert és szoftvert biztosító autóipari minősítésű eszközhöz fordulhatnak, amelyek egyszerűsítik a különböző funkciók tervezését és integrálását, miközben csökkentik az alkatrészek számát és a teljes helyigényt.

Ez a cikk az elektromos és hibrid járművek tervezőinek problémáit járja körül. Ezután bemutatja és ismerteti, hogyan lehet egy nagymértékben integrált, kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok mezőorientált szabályozását megvalósító vezérlőt és egy kapcsolódó fejlesztői kártyát felhasználni életképes EV/HEV motortervek gyors elindításához. Különböző érzékelőket is bemutat az áram, a térbeli pozíció, a sebesség és a forgásirány megfigyelésére, mindezt egyetlen gyártó, az Allegro MicroSystems eszközein keresztül.

Az elektromos járművek költségeivel, biztonságosságukkal és hatótávolságukkal kapcsolatos aggodalmak

A teljesen elektromos és hibrid járművek tervezőinek számos kérdéssel kell foglalkozniuk, beleértve a járművek költségét, biztonságosságát és megbízhatóságát – különösen a járművek növekvő önvezető képességének, az egy töltéssel megtehető hatótávolságnak és az akkucsomagok élettartamának fényében.

A biztonságos és megbízható működéshez olyan modern érzékelőkre van szükség, amelyek megfelelnek az ISO 26262 szabványban meghatározott korszerű vezetőtámogató rendszerek (ADAS) funkcióinak. Ami a költségeket és a hatótávolságot illeti, a tervezők a nagyobb hatékonyság és a kábelezés összsúlyának csökkentése érdekében a magasabb, akár 800 V-os feszültségű tápsínek felé fordultak, és ugyanakkor kihasználják az akkucsomagok kialakításában elért fejlesztéseket is.

Az akkumulátorok hőszabályozásának javulása például hozzájárult a jármű hatótávolságának és az akkumulátorok élettartamának növeléséhez, míg az elektromos és hibrid autók hajtásinvertereinek hűtése terén elért eredmények segítenek növelni a teljesítmény- és energiasűrűséget és csökkenteni a súlyt.

Habár a félvezető eszközök egyre magasabb szintű integrációjának köszönhetően tartalmasabb funkciótárház valósítható meg kisebb tömeg és helyigény mellett, a szükséges hűtőventilátorok BLDC-motorjait precízen kell szabályozni az optimális hatásfok érdekében. Ennek eléréséhez hasznos, ha a motorvezérlő kapumeghajtója esetében olyan korszerű motorvezérlő algoritmusokat alkalmazunk, mint például a mezőorientált szabályozás (FOC).

Nagy teljesítményű hűtés

Mezőorientált szabályozással a villanymotorok egyenletesen tudnak működni a teljes fordulatszám-tartományukban, és indításkor a teljes nyomaték előállítására képesek. Ezenkívül a FOC segítségével gyors és egyenletes motorgyorsítás és -lassítás valósítható meg, ami hasznos a nagy teljesítményű mozgatási alkalmazások pontos vezérlésekor. A mezőorientált szabályozás felhasználható nagy hatásfokú, kompakt és csendes kisfeszültségű (max. 50 V DC) hajtások kifejlesztésére, akár 500 W-os nagy teljesítményű BLDC-motorokhoz. Ezeket jellemzően a teljesen elektromos és hibrid járművek nagyfeszültségű akkumulátorainak hűtőventilátorainál, valamint a fűtési, szellőzési és légkondicionálási (HVAC) légfúvóknál és a nagyfeszültségű hajtásinverterek hűtőrendszereinek folyadékszivattyúinál használják (1. ábra).

1. ábra: A mezőorientált szabályozást megvalósító motorvezérlők a kisfeszültségű akkumulátorok energiáját felhasználhatják az elektromos vagy hibrid járművek nagyfeszültségű akkumulátorainak és hajtásinvertereinek hűtésére (kép: Allegro MicroSystems)

A hagyományos kialakításokban a mezőorientált szabályozást mikrovezérlővel összekapcsolt külső érzékelőkkel valósítják meg. Ezen közvetlen FOC-nak nevezett konstrukciók összetettek lehetnek, és dinamikus reakcióképességeik általában csökkentettek, mivel a motor üzemi paramétereinek mérésekor külső érzékelőkre támaszkodnak.

A külső érzékelők elhagyásával jobb teljesítményű és alacsonyabb költségű mezőorientált szabályozás valósítható meg.

A kiiktatott érzékelőktől származó információkra továbbra is szükség van, de ezek viszont kinyerhetők a motor kapcsairól, a motortekercsekben a motor elektromotoros ellenereje (BEMF) által generált feszültségekből és áramokból. Míg a hardver egyszerűsödik, az érzékelő nélküli mezőorientált szabályozás megvalósítása összetettebb vezérlőszoftvert igényel.

Az érzékelő nélküli FOC-algoritmusokkal a lehető legnagyobb hatásfok és legjobb dinamikus válaszadás valósítható meg, az akusztikus zaj minimalizálása mellett. Emellett nyitott szabályozó áramkör esetén is robusztus indítást biztosítanak arra az esetre, ha a motor álló állapotban van, és nem áll rendelkezésre BEMF-információ.

Egyszerű FOC autóipari hűtőventilátorokhoz és szivattyúkhoz

Míg a legtöbb FOC BLDC meghajtó esetében a szoftverfejlesztőknek meg kell írniuk az algoritmust és azt egy mikroprocesszorhoz vagy mikrovezérlőhöz kell igazítaniuk, az Allegro MicroSystems A89307KETSR-J jelű eszközénél az érzékelő nélküli FOC algoritmus közvetlenül a kapumeghajtó működését vezérli. A mindössze öt külső passzív alkatrész (négy kondenzátor és egy ellenállás) használatával az A89307KETSR-J minimalizálja az anyagköltséget (BOM), javítja a megbízhatóságot és csökkenti a tervezés bonyolultságát (2. ábra).

2. ábra: Az A89307KETSR-J elektromos és hibrid járművek akkucsomag-hűtőventilátorainál alkalmazott tipikus áramkörében öt külső alkatrész található: négy kondenzátor és egy ellenállás (kép: Allegro MicroSystems)

Az A89307KETSR-J kapumeghajtó 5,5 és 50 V közötti egyenfeszültséggel működik. Az integrált FOC algoritmussal állandó nyomaték, állandó teljesítmény, nyitott szabályozó áramkörös és állandó fordulatszámú üzemmódok valósíthatók meg. Az A89307KETSR-J impulzusszélesség-modulációs (PWM) vagy órajelvezérelt fordulatszám-szabályozáshoz, fékezéshez és forgásirány meghatározáshoz alkalmas bemenetekkel rendelkezik, valamint kimeneti jeleket szolgáltat hibaállapotokhoz és a motor fordulatszámához (3. ábra).

3. ábra: Az A89307KETSR-J belső blokkvázlatán látható a FOC-vezérlő (középen), valamint a PWM vagy órajelvezérelt sebességszabályozás (SPD), a fék (BRAKE) és az irány (DIR) bemenetek (balra), valamint a hiba (FAULT) és a motor fordulatszám (FG) kimenetek (szintén balra) (kép: Allegro MicroSystems)

Az A89307KETSR-J-t külső, alacsony bekapcsolási ellenállású N-csatornás teljesítmény MOSFET-ek meghajtására optimalizálták. Biztosítani képes a MOSFET-ek gyors be- és kikapcsolásához szükséges nagy csúcsáramokat, hogy a kapcsolások során az energiaveszteség minimális legyen, javuljon a működési hatékonyság és mérséklődjenek a hőkezeléssel kapcsolatos problémák. Több kapumeghajtási szint áll rendelkezésre, lehetővé téve a tervezők számára, hogy optimális arányt tudjanak elérni a sugárzott elektromágneses interferencia (EMI) és a hatásfok közötti kompromisszum tekintetében. A MOSFET-ek gyors bekapcsolása csökkenti a kapcsolási veszteségeket, de növeli az EMI-t, míg a MOSFET-ek lassabb bekapcsolása csökkentett EMI-t eredményez, de hátrányként növekednek a kapcsolási veszteségek a hatásfok pedig csökken.

A motor fordulatszáma PWM, analóg vagy a CLOCK bemeneten keresztül vezérelhető. A zárt hurkú fordulatszám-szabályozás szintén egy opció, a percenkénti fordulatszám (RPM) és az órajelfrekvencia közötti arány programozható. Az érzékelő nélküli indításvezérlés magában foglalja az előre- és hátrameneti irányú, már forgó állapot (önpörgés) érzékelését és szinkronizálását, aminek köszönhetően az A89307KETSR-J a motor- és terhelési konfigurációk széles skáláján működni képes.

Az Allegro MicroSystems Non-Reverse Startup algoritmusa szintén hozzájárul a minél jobb indításhoz. Bekapcsolás után a motor a megfelelő irányban indul el anélkül, hogy rezgés vagy rázkódás lépne fel a forgásirány módosulása miatt. A Soft-On-Soft-Off funkció a „be” parancsra fokozatosan növeli a motoráramot (önpörgéses állapotban), a „ki” parancsra pedig fokozatosan csökkenti a motoráramot, tovább csökkentve az akusztikus zajt (4. ábra).

4. ábra: Az A89307KETSR-J lágy „be” (fent) és „ki” (lent) áram jelalakjai zökkenőmentes motorműködést biztosítanak, és csökkentik az akusztikus zajt (kép: Allegro MicroSystems)

Az A89307KETSR-J tartalmaz egy I2C interfészt a motor névleges áramának, feszültségének, fordulatszámának, ellenállásának és indítási profiljának beállításához. Az I2C-n keresztül a be-/kikapcsolás és a fordulatszám-szabályozás, valamint a fordulatszám-visszacsatolás és a hibajelzések küldése is megvalósul.

Fejlesztői kártya érzékelő nélküli mezőorientált szabályozáshoz

A tervezők felhasználhatják az APEK89307KET-01-T-DK fejlesztői kártyát és a kapcsolódó szoftvert az A89307KETSR-J-t tartalmazó FOC-alapú BLDC motorhajtások fejlesztésének felgyorsítására (5. ábra). Ez a kártya tartalmazza az A89307KETSR-J-t, hozzáférést biztosít az összes bemeneti és kimeneti érintkezőkhöz, valamint megtalálható rajta egy BLDC motor meghajtásához szükséges teljes háromfázisú teljesítményfokozat. A tervezők egy egyszerű grafikus felhasználói felületen (GUI) keresztül kiválaszthatják a FOC-hajtási paramétereket, és betölthetik azokat a chipen lévő EEPROM-ba. Mivel az A89307KETSR-J használatához csupán minimális számú további alkatrészre van szükség, így olyan meghajtók tervezhetők meg, amelyek elférnek a motorházban, ami tovább csökkenti egy-egy megoldás méretét.

5. ábra: Az APEK89307KET-01-T-DK fejlesztői kártyán megtalálható az A89307KETSR-J (U1, baloldalt középen az áramköri lapon), és hat teljesítmény-MOSFET (jobb oldalt) melyekkel egy BLDC motor meghajtható (kép: Allegro MicroSystems)

ADAS-t támogató érzékelők

Ahhoz, hogy az elektromos és hibrid járművek rendszereinek tervezői kompakt és költséghatékony ADAS-funkciókat tudjanak megvalósítani, érzékelniük kell a motorhajtások, DC-DC átalakítók és inverterek áramszintjeit, valamint a fojtószelepek és hengerek forgási helyzetét, illetve a sebességváltó-fogaskerekek sebességét és forgásirányát. Az Allegro MicroSystems számos érzékelési megoldást kínál az ADAS támogatására, többek között:

Áramérzékelés: Az ACS72981KLRATR-150B3 gazdaságos és pontos váltóáramú vagy egyenáramú érzékelést biztosít a tervezők számára. Ez a nagy pontosságú lineáris, Hall-effektus alapú áramérzékelő 250 kHz-es sávszélességgel rendelkezik, és motorok, DC-DC átalakítók, inverterek vezérléséhez, valamint terhelésérzékeléshez és terhelés-kiegyenlítéshez tervezték. Ez egy AEC-Q100 minősítésű IC, amely 2 µs alatti válaszidővel rendelkezik, és ennek köszönhetően biztonságkritikus alkalmazásokban a túláram típusú hibák gyors érzékelésére használható.

Térbeli pozícióérzékelés: Az Allegro MicroSystems A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG jelű IC-jének használatával gyorsan megvalósítható az érintkezés nélküli lineáris és forgó, térbeli mágneses helyzetérzékelés a fojtó- és egyéb szelepek, a hengerek és a sebességváltó helyzetének érzékelésére. Az eszköz a vízszintes és függőleges síkban történő forgó mozgás, valamint az oldalirányú vagy elölre-hátra történő lineáris mozgás mérésére képes (6. ábra).

6. ábra: Az A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3D helyzetérzékelő a vízszintes és függőleges síkban történő forgó mozgás, valamint az oldalirányú vagy elölre-hátra történő lineáris mozgás mérésére képes (6 ábra) (kép: Allegro MicroSystems)

Az A31315LOLATR-XY-S-SE-10 érzékelő használatával a tervezők az aránymérős analóg, a PWM vagy az SAE J2716 SENT (single edge nibble transmission) kimeneti formátumok közül választhatnak. Úgy fejlesztették ki, hogy megfeleljen az autóipari rendszerek biztonságával kapcsolatos ISO 26262 ASIL B (egy lapka, SOIC-8 tokozás) és ASIL D (redundáns kettős lapka, TSSOP-14 tokozás) szabványoknak.

Sebesség és forgásirány: Az ATS19520LSNBTN-RSWHPHPYU egy rezgéstűrő, differenciális, Hall-effektuson alapuló fogaskerékfog-sebesség és forgásirány érzékelő, amelyből előre- és hátrameneti irányérzékelésre alkalmas típusok állnak rendelkezésre (7. ábra).

7. ábra: Az ATS19520 „F” változata előre irányú forgást érzékel, amikor a fogaskerékfog először az 1. majd a 3. érintkező előtt halad el (fent), és hátrameneti forgást, amikor az először a 3. érintkező majd az 1. érintkező előtt halad el (lent). Az „R” típus a forgást ezzel ellentétesen méri (kép: Allegro MicroSystems)

Az ISO 26262 ASIL B minősítésű érzékelő integrált diagnosztikával rendelkezik, és alkalmas az elektromos és hibrid autók hajtásláncaiban való használatra. A hárompólusú, egysoros (SIP) tokozásban egy integrált, állandó hátsó mágneses mezőt biztosító mágnes (back bias magnet) található a vastartalmú forgó céltárgyak sebességének és irányának mérésére, valamint egy integrált kondenzátor az elektromágneses kompatibilitás biztosítása érdekében.

Összegzés

Az integrált, érzékelő nélküli mezőorientált szabályozást megvalósító BLDC motorhajtások, valamint az áramérzékelők, mágneses helyzetérzékelők és forgásérzékelők kulcsfontosságú összetevők, amelyek lehetővé teszik a nagyobb hatótávolságú és alacsonyabb szénlábnyomú, jó hatásfokú és biztonságos elektromos és hibrid járművek tervezését. A mezőorientált szabályozáson alapuló motorhajtások használatával elsősorban nagyobb hatásfokú és csendesebb hűtőrendszerek tervezhetők, amelyek az akkucsomagok és a hajtásinverterek igényeit tekintve jobb dinamikus reakcióképességgel rendelkeznek. A maguk részéről a kompakt, precíz és energiatakarékos érzékelők kritikus fontosságúak a korszerű vezetőtámogató rendszerek megbízhatósági követelményeinek és az ISO 26262 szabvány funkcionális biztonsági követelményeinek megfelelő elektromos járművek kifejlesztésében.

Ajánlott olvasnivaló

1. Innovatív áramérzékelés járművek villamosításához
2. SiC teljesítményelektronikai alkatrészek hatékony alkalmazása elektromos járművek hatótávolságának növeléséhez