未來電動汽車牽引電機(jī)需求和速度傳感器解決方案

牽引電機(jī)的總體發(fā)展趨勢

隨著市場朝著電動汽車使用越來越廣泛的方向發(fā)展，兩個關(guān)鍵因素將影響現(xiàn)有牽引電機(jī)系統(tǒng)的需求發(fā)展方式：

1. 降低成本：使電動汽車的入門成本與內(nèi)燃機(jī)汽車基本一致。

2. 擴(kuò)大范圍：使電池動力電動汽車（BEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）成為更廣泛應(yīng)用的可行選擇方案。這些因素將繼續(xù)推動制造商尋找既可提高性能又可使用更具成本效益的電動汽車電機(jī)解決方案。

不斷發(fā)展的電機(jī)需求

高速度

與內(nèi)燃機(jī)汽車不同，電動車輛通常不具有變速器或只有低齒數(shù)變速器。電動汽車使用的牽引電機(jī)需要在廣泛的速度范圍內(nèi)有效運(yùn)行；因此，大多數(shù)時候只需要一個或兩個差減變速器（gear ratio）即可。較少傳動齒輪需要牽引電機(jī)比內(nèi)燃發(fā)動機(jī)以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這使傳感設(shè)備必須執(zhí)行一組新的技術(shù)要求。

雖然典型的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)在約6,000 rpm時進(jìn)入轉(zhuǎn)速紅區(qū)，但許多電動汽車牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)能力卻遠(yuǎn)不止于此，找到比ICE發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速快兩倍或更多的EV電機(jī)非常容易。例如，自2016年以來一直在市場上銷售的雪佛蘭Bolt EV使用最大轉(zhuǎn)度為8,810 rpm的牽引電機(jī)，這是在Bolt前身Chevrolet Spark EV（2013 – 2016）基礎(chǔ)上的改進(jìn)，Chevrolet Spark EV使用的最大轉(zhuǎn)速僅為4,500 rpm ^[1]。日產(chǎn)聆風(fēng)（Leaf）是可與Bolt媲美的車輛，它使用的是EM57牽引電機(jī)，最大速度為10,390 rpm ^[2]。

特斯拉Model 3等更高性能電動汽車需要更高的轉(zhuǎn)速。據(jù)估計(jì)，Model 3牽引電機(jī)在162 mph最高時度下可以達(dá)到27,200 rpm的轉(zhuǎn)速[a]。Model 3是過去幾年中廣受歡迎的電動汽車之一，因此對高性能電動汽車有明確的需求。將來，未來市場對能夠達(dá)到Model 3速度的牽引電機(jī)需求可能還會增大，必須重新設(shè)計(jì)半導(dǎo)體傳感器件，以滿足這些新的高速高性能應(yīng)用需求。

啟動、低速和振動要求

啟動

牽引電機(jī)的啟動要求根據(jù)所涉及的電機(jī)類型而有很大差異。大多數(shù)汽車牽引電機(jī)都使用永磁同步電機(jī)（PMSM）或感應(yīng)電機(jī)（異步電機(jī)）。每種電機(jī)具有不同的功能，因而也具有不同的傳感器件要求。

[a]該值是根據(jù)車輛的最高速度、車輪直徑和齒輪減速比計(jì)算得出。

圖1 常見的汽車牽引電機(jī)類型^[3]。

永磁同步電機(jī)

基于永磁同步電機(jī)的應(yīng)用需要反饋解決方案，可在啟動時提供絕對的轉(zhuǎn)子位置，這對于初始啟動至關(guān)重要，因?yàn)橥诫姍C(jī)的定子和轉(zhuǎn)子需要“同相”運(yùn)行。啟動時轉(zhuǎn)子位置反饋的錯誤會導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動的相位不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速和/或“急動”以匹配電機(jī)驅(qū)動器的初始相位，甚至可能與預(yù)期驅(qū)動器的方向相反。

用于永磁同步電機(jī)需求的現(xiàn)有解決方案通常包括絕對位置編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver）。旋轉(zhuǎn)變壓器由于其在惡劣汽車應(yīng)用環(huán)境中呈現(xiàn)的高可靠性而成為市場上最主流的解決方案，通常也更耐受電磁干擾和高溫。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器示例^[4]。

感應(yīng)電機(jī)

基于感應(yīng)電機(jī)的應(yīng)用在啟動時不受與永磁同步解決方案相同的絕對位置反饋要求約束。由于啟動時無需轉(zhuǎn)子和定子之間直接的相位匹配，因此啟動時轉(zhuǎn)子將遵循任何給出的定子相位。

能夠滿足感應(yīng)電機(jī)需求的現(xiàn)有解決方案通常使用旋轉(zhuǎn)變壓器或增量位置編碼器，其中增量位置編碼器在啟動時提供的信息很少甚至沒有（對于異步電機(jī)是可接受的），但是與旋轉(zhuǎn)變壓器及其絕對位置方案相比，還可以節(jié)省成本。雖然在啟動時不必提供絕對位置，但由于可提供更高的可靠性，旋轉(zhuǎn)變壓器在使用感應(yīng)電機(jī)的應(yīng)用中仍然很常見。

圖3 增量編碼與絕對編碼示例^[5]。

低速性能

低速性能對于牽引電機(jī)至關(guān)重要。由于對于大多數(shù)牽引電機(jī)系統(tǒng)來說，較低速度是一種低效率模式，因此必須減輕由于電機(jī)控制不良而造成的任何額外功率損失。此外，對于正在開發(fā)的用于牽引電機(jī)的自動系統(tǒng)，例如自動停車和特斯拉的“智能召喚”功能，要求這些電機(jī)控制系統(tǒng)的反饋具有更高分辨率。

盡管諸如旋轉(zhuǎn)變壓器之類的模擬傳感解決方案具有無限的分辨率，但牽引系統(tǒng)仍然受到控制器ADC分辨率和系統(tǒng)噪聲等限制。增加ADC的位數(shù)（達(dá)到受系統(tǒng)噪聲界定的程度），并降低系統(tǒng)噪聲將導(dǎo)致更高分辨率。

編碼器等數(shù)字感測解決方案（例如解決方案）具有內(nèi)置的分辨率，根據(jù)每轉(zhuǎn)感測到的輸出跳變數(shù)而定。增加目標(biāo)被感測特征數(shù)量將提高系統(tǒng)分辨率。

振動

像啟動和低速一樣，傳感器和控制器對振動事件的響應(yīng)在牽引電機(jī)系統(tǒng)性能中起著很大作用。牽引電機(jī)系統(tǒng)中存在多種形式的振動，如果未正確檢測和/或正確處理，則所有振動都會產(chǎn)生潛在的誤差，進(jìn)而會在不同程度上影響控制系統(tǒng)的反饋回路，例如從角度的微小和暫時誤差，到轉(zhuǎn)子位置的完全錯誤計(jì)算，都會導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動不當(dāng)和對安全至關(guān)重要的故障。緩解控制系統(tǒng)中振動所帶來的影響在很大程度上取決于所使用的傳感解決方案，因此，一些傳感器的設(shè)計(jì)采用了高級算法，能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的性能，而不會引起故障。這些與振動相關(guān)的技術(shù)似乎是一項(xiàng)新的進(jìn)步，但在諸如變速器和曲軸傳感器之類的特殊應(yīng)用中，振動算法已經(jīng)存在了很長時間。

旋轉(zhuǎn)變壓器和絕對位置編碼傳感器對振動事件非常牢固。如今，傳感器能夠處理并消除振動事件中的錯誤信號，將有效信號提供給控制器。對于這些解決方案，不需要對反饋系統(tǒng)的先行知識即可正常運(yùn)行，并且控制器不需要額外的請求即可在振動事件后恢復(fù)。在振動事件期間，系統(tǒng)的響應(yīng)完全取決于控制器，因?yàn)閭鞲衅鲗⒗^續(xù)在每個采樣上輸出轉(zhuǎn)子的精確位置。

增量式位置編碼器可能會因振動事件而丟失和/或增加齒數(shù)，因此需要在傳感器和控制器中更加精細(xì)，以減輕由于振動引起的影響。如果出現(xiàn)缺失或多出的齒數(shù)，則傳感器和/或控制器可以根據(jù)振動的嚴(yán)重程度和齒數(shù)誤差在不同程度上進(jìn)行補(bǔ)償。否則，直到識別出索引或同步信號為止（通常每轉(zhuǎn)一次），轉(zhuǎn)子位置可能會出現(xiàn)不同程度的誤差。

市場趨勢分析：啟動、低速和振動

為了滿足降低成本和擴(kuò)大續(xù)航里程的市場需求，可以預(yù)期永磁同步電機(jī)將繼續(xù)成為牽引電機(jī)受歡迎的解決方案，這已從特斯拉Model 3中的第一個同步電機(jī)解決方案設(shè)計(jì)中得到了證明。盡管特斯拉長期以來一直倡導(dǎo)使用感應(yīng)電機(jī)解決方案，但為了使Model 3 [b]滿足總體成本和效率要求^[6]，改用同步電機(jī)是絕對必要的。

隨著用于電動車輛牽引系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)持續(xù)發(fā)展，再加上為降低成本而不斷增大的壓力，汽車制造商需要尋找替代現(xiàn)有高成本旋轉(zhuǎn)變壓器和絕對位置編碼器的解決方案。

另外，替代解決方案需要滿足高分辨率輸出要求，并且傳感器和/或控制器方面必須具有牢固的算法，以滿足對振動事件魯棒性不斷提高的需求，特別是更高功能安全性的要求。

電磁兼容（EMC）要求

EMC要求可能因不同的應(yīng)用、器件和所在地區(qū)等而變化?？偟内厔菔?，隨著時間的流逝，EMC的牢固性已成為從OEM到1級和2級供應(yīng)商的一項(xiàng)更為關(guān)鍵和嚴(yán)格要求，對于牽引電機(jī)市場尤其如此。隨著更加復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，對系統(tǒng)中使用的組件要求越來越高，需要免受雜散電磁場的影響并能承受更高的電壓、電流和其他電磁信號。另外，鑒于牽引電機(jī)系統(tǒng)等應(yīng)用電氣化程度不斷提高，這些系統(tǒng)及其中包含的組件將需要適應(yīng)嚴(yán)格的排放要求。

同樣，出于對更具成本效益和更高效率牽引電機(jī)系統(tǒng)的需求，將會開發(fā)出更多的高壓系統(tǒng)。這將要求部件承受的額定電壓要比前幾代產(chǎn)品高得多，這同樣適用于內(nèi)燃機(jī)或其他單電池/低壓應(yīng)用。

可靠性、功能安全性和ASIL要求

功能安全在汽車行業(yè)中變得越來越重要。大多數(shù)OEM都遵循ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，它定義了汽車安全完整性等級（ASIL）分類系統(tǒng)，使用ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)可確保車輛使用壽命內(nèi)的可靠性和故障管理。從最低風(fēng)險到最高風(fēng)險，ASIL的四個級別分別為A，B，C和D。隨著越來越多的自動駕駛車輛開始使用，車輛系統(tǒng)越來越需要遵守更嚴(yán)格的安全要求，并且大多數(shù)系統(tǒng)將需要D級特性。

[b]應(yīng)該注意的是，根據(jù)特斯拉Model 3的選配方案，提供的牽引電機(jī)可以是永磁同步電機(jī)，也可以是永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。

滿足牽引電機(jī)趨勢需求的解決方案

ATS17501 / A17501是單片集成電路（IC）解決方案，設(shè)計(jì)用于牽引電機(jī)系統(tǒng)中常見的鐵磁齒輪或環(huán)形磁體目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置感測。ATS17501采用4引腳單插直列封裝（SIP）（“ SG”封裝），其中集成有稀土背磁（rare-earth magnetic pellet），易于制造，在整個溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的應(yīng)用性能，并能夠提高可靠性（見圖4）。A17501采用4引線SIP（“ K”封裝）封裝，當(dāng)用背磁體正確地“反向偏置”時，可用于感測環(huán)形磁體或鐵磁目標(biāo)（見圖4）。

圖4 SG封裝（左）和K封裝（右）。

傳感器IC中集成了三個霍爾元件，因而能夠在IC中創(chuàng)建兩個獨(dú)立的差分磁感測通道。這些輸入由數(shù)字IC電路和強(qiáng)大的算法進(jìn)行處理，旨在消除磁場和系統(tǒng)偏移中的有害影響，并解決由牽引電機(jī)系統(tǒng)中常見的啟動和低速運(yùn)行時目標(biāo)振動引起的虛假輸出瞬態(tài)。差分信號用于產(chǎn)生高精度速度輸出，并在需要時提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)方向的信息。

先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)可用于優(yōu)化信號偏移和幅度，這種校準(zhǔn)與信號的數(shù)字跟蹤相結(jié)合，可以在氣隙、速度和溫度等參數(shù)上產(chǎn)生準(zhǔn)確的開關(guān)點(diǎn)。

傳感器IC可以針對各種不同應(yīng)用進(jìn)行編程，以滿足對雙相齒輪速度和位置信號信息或同時具有高分辨率齒輪速度和方向信息等需求。

增量位置感測的實(shí)施

ATS17501 / A17501可通過使用ABZ編碼來跟蹤旋轉(zhuǎn)齒輪的位置。雙路輸出能夠產(chǎn)生正交的通道A和通道B信號。索引或通道Z信號通常由單獨(dú)的傳感器產(chǎn)生，這些信號可用于確定目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度和方向。

圖5 ABZ編碼。

先前的傳感解決方案需要兩個傳感器才能獲得通道A和通道B的正交信號。使用ATS17501或A17501，可以減少傳感器、電線和線束的數(shù)量，從而降低整體系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

圖6 被ATS17501 / A17501取代的之前雙傳感器解決方案。

ATS17501 / A17501在牽引電機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢

高速度

ATS17501 / A17501非常適合牽引電機(jī)應(yīng)用。這些傳感器IC的最高工作頻率為40 kHz，可以滿足牽引電機(jī)對于高速開關(guān)不斷增長的需求。

啟動性能/算法

可選的算法用于確定何時從磁輸入信號產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)換。對于所有選項(xiàng)，都在ATS17501/A17501中設(shè)置了一個閾值，當(dāng)經(jīng)過數(shù)字化磁信號（開關(guān)點(diǎn)）時，該閾值觸發(fā)輸出轉(zhuǎn)換。若把傳感器IC編程為使用“固定閾值”選項(xiàng)時，絕對閾值將存儲在非易失性存儲器中，以設(shè)置開關(guān)點(diǎn)的操作和釋放點(diǎn)。該算法允許在上電后立即獲得準(zhǔn)確的輸出轉(zhuǎn)換，以獲得一致的磁輸入信號，而無需“學(xué)習(xí)”信號。存儲在存儲器中，并在上電期間加載的閾值包含針對溫度的閾值水平，允許就溫度對磁性輸入信號進(jìn)行偏移漂移調(diào)整。傳感器IC包含一個溫度傳感器，可用于根據(jù)應(yīng)用需要連續(xù)在溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)點(diǎn)。還可以將傳感器編程為使用“動態(tài)閾值”選項(xiàng)，其中每個開關(guān)點(diǎn)都是根據(jù)有關(guān)先前目標(biāo)特征信息計(jì)算得出。該算法能夠?qū)崿F(xiàn)魯棒的跟蹤，并針對不一致的磁輸入信號（偏置漂移、幅度變化等）產(chǎn)生準(zhǔn)確的輸出轉(zhuǎn)換。此外，可以對傳感器進(jìn)行編程，以使用“混合閾值”選項(xiàng)，即在啟動時由“固定閾值”選項(xiàng)確定，然后在跟蹤信號正確獲取磁輸入信號之后轉(zhuǎn)換為“動態(tài)閾值”選項(xiàng)。

ATS17501和A17501還包含可抵消牽引電機(jī)系統(tǒng)中振動的負(fù)面影響的算法。當(dāng)發(fā)生方向變化時，將暫停峰值跟蹤信號的向內(nèi)邊界，以防止錯誤地根據(jù)振動信號設(shè)置來自開關(guān)點(diǎn)的錯誤輸出轉(zhuǎn)換。另外，一旦在振動事件之后真正的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)恢復(fù)，就可以立即獲取磁輸入信號。

EMC魯棒性

ATS17501 / A17501包含一個片上穩(wěn)壓器，可以在很寬的電源電壓范圍內(nèi)工作。如果使用適當(dāng)?shù)耐獠拷M件，傳感器則具有強(qiáng)大的EMC性能。

安全/ ASIL

ATS17501 / A17501包含有模擬和數(shù)字電路診斷監(jiān)視器。在啟用“故障檢測模式”后，它們會連續(xù)監(jiān)視并報告是否發(fā)現(xiàn)任何故障、計(jì)算錯誤或無效的輸入激勵。如果診斷監(jiān)視器觸發(fā)，則傳感器IC可通過輸出電壓電平傳達(dá)故障。對于所有故障，輸出將保持在故障電壓電平足夠長時間，以允許系統(tǒng)控制器能夠監(jiān)測到已發(fā)生的故障。對于某些診斷，可以通過重置傳感器IC的內(nèi)部控制器來清除故障。如果這些診斷監(jiān)視器中的任何一個觸發(fā)了故障事件，則傳感器IC在將輸出保持在故障電壓足夠長時間后，傳感器IC將自動執(zhí)行內(nèi)部控制器的復(fù)位，以允許系統(tǒng)控制器監(jiān)測故障事件。啟用故障檢測模式可在斷路或短路的情況下進(jìn)行其他方式通信，在啟用“故障檢測模式”后，傳感器IC可以在ASIL B（D）級別系統(tǒng)中使用。 ASIL D系統(tǒng)可以通過使用多個傳感器來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語

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