Verminder de angst voor het bereik van EV's en verbeter de veiligheid met geïntegreerde FOC-motorregeling en geavanceerde sensors

Ontwerpers van elektrische voertuigen (EV) en hybride elektrische voertuigen (HEV) (vaak xEV genoemd) staan voortdurend onder druk om meer kilometers per lading af te leggen en zo de angst voor actieradius te verminderen en de koolstofvoetafdruk van het voertuig te verkleinen. Tegelijkertijd moeten zij meer motoren, sensoren, bijbehorende elektronica, processoren en software toevoegen om te voldoen aan hogere niveaus van autonomie, gebruikerskenmerken en veiligheid van voertuigen, terwijl zij ook de kosten moeten drukken.

Motoren voor deuren, ramen, koelventilatoren voor de accu, radiateurventilatoren en -pompen en andere voorzieningen vormen een bijzonder netelige kwestie, omdat ze niet alleen meer gewicht toevoegen, maar ook geavanceerde regelalgoritmen vereisen, zoals veldgeoriënteerde regeling (FOC), om het geluidsniveau en het stroomverbruik tot een minimum te beperken en tegelijk een soepele respons te garanderen. Het totale systeemontwerp wordt gecompliceerd doordat ook moet worden voldaan aan ISO 26262 functionele veiligheidseisen en AEC-Q100 kwaliteitsnormen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers zich wenden tot een verscheidenheid van voor de automobielindustrie gekwalificeerde apparaten die hogere niveaus van hardware en software bieden die het ontwerp en de integratie van diverse functies vereenvoudigen, terwijl ook het aantal onderdelen en de totale voetafdruk worden verminderd.

In dit artikel wordt ingegaan op de problemen waarmee ontwerpers van EV's en HEV's worden geconfronteerd. Vervolgens wordt voorgesteld en getoond hoe een sterk geïntegreerde FOC borstelloze gelijkstroom (BLDC) motorcontroller en een bijbehorend evaluatiebord kunnen worden gebruikt om een vliegende start te maken met een efficiënt EV/HEV-motorontwerp. Het biedt ook diverse sensors voor het bewaken van stroom, 3D-positie, snelheid en richting, allemaal van één enkele bron, Allegro MicroSystems.

De kosten, veiligheid en angst voor de actieradius van EV's

De ontwerpers van elektrische voertuigen moeten talrijke problemen aanpakken, zoals de kosten, de veiligheid en de betrouwbaarheid van het voertuig, vooral in het licht van de toenemende autonomie van het voertuig, het rijbereik per lading (range anxiety) en de levensduur van het batterijpakket.

Om de veiligheid en betrouwbaarheid te ondersteunen, zijn geavanceerde sensors nodig die voldoen aan de eisen van de functies van geavanceerde ondersteuningssystemen voor de bestuurder (ADAS), zoals gedefinieerd in ISO 26262. Met het oog op de kosten en de reikwijdte hebben de ontwerpers zich gewend tot stroomrails met een hoger voltage, tot 800 volt, voor een grotere efficiëntie en een lager gewicht van de kabel, terwijl zij ook gebruik maken van verbeteringen in het ontwerp van de batterijpakken.

Een beter thermisch beheer van de batterijen heeft bijvoorbeeld bijgedragen tot een groter rijbereik en een langere levensduur van de batterijen, terwijl een betere koeling van de tractieomvormers van EV's en HEV's bijdraagt tot een hogere vermogens- en energiedensiteit en een lager gewicht.

Terwijl de hogere integratieniveaus van halfgeleiderapparatuur een grotere functionaliteit met minder gewicht en ruimte mogelijk maken, moeten de BLDC-motoren die nodig zijn voor de vereiste koelventilatoren nauwkeurig worden geregeld om de efficiëntie te optimaliseren. Om dit te bereiken is het nuttig om geavanceerde motorbesturingsalgoritmen zoals FOC op te nemen in de poortdriver van de motorbesturing.

Krachtige koeling

FOC maakt een soepele werking van elektromotoren over hun gehele toerentalbereik mogelijk, en kan bij het starten het volledige koppel genereren. Bovendien kan FOC zorgen voor een snelle en soepele versnelling en vertraging van de motor, een kenmerk dat nuttig is voor nauwkeurige regeling in hoogwaardige bewegingstoepassingen. FOC kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van zeer efficiënte, compacte en stille laagspanningsdrivers (LV) (50 volt DC en lager) voor een reeks krachtige BLDC-motoren tot 500 watt. Deze worden gewoonlijk gebruikt in koelventilators voor hoogspanningsaccu's (HV) van xEV's, alsook in ventilatoren voor verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), en vloeistofpompen voor koelsystemen voor tractieomvormers (HV) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: FOC-motorcontrollers kunnen LV-batterijstroom gebruiken om HV-batterijen en HV-tractieomvormers van xEV's te koelen. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

In conventionele ontwerpen wordt FOC geïmplementeerd met externe sensors met behulp van een microcontroller. Deze ontwerpen, die directe FOC worden genoemd, kunnen complex zijn en hebben vaak te lijden onder een verminderde dynamische respons omdat zij afhankelijk zijn van externe sensoren om de bedrijfsparameters van de motor te meten.

FOC met betere prestaties en lagere kosten is mogelijk door de externe sensoren te elimineren.

De informatie van de ontbrekende sensoren is nog steeds nodig voor de toepassing van FOC en kan worden afgeleid uit de spanningen en stromen aan de motorklemmen van de achterwaartse elektromotorische kracht (BEMF) in de motorwikkelingen. Hoewel de hardware eenvoudiger is, vereist de uitvoering van sensorloze FOC complexere besturingssoftware.

Een sensorloos FOC-algoritme kan de hoogste efficiëntie en dynamische respons mogelijk maken, terwijl akoestische ruis tot een minimum wordt beperkt. Het biedt ook een robuuste open-lus startup voor wanneer de motor stilstaat en er geen BEMF-informatie beschikbaar is.

Easy FOC voor koelventilators en pompen voor auto's

Terwijl de meeste FOC BLDC-drivers vereisen dat softwareontwikkelaars het algoritme schrijven en overbrengen naar een microprocessor of microcontroller, integreert de A89307KETSR-J van Allegro MicroSystems het sensorloze FOC-algoritme rechtstreeks in de gatedriver. Met slechts vijf externe passieve componenten (vier condensatoren en een weerstand) minimaliseert de A89307KETSR-J ook de stuklijst, verbetert hij de betrouwbaarheid en vermindert hij de complexiteit van het ontwerp (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een typisch A89307KETSR-J xEV batterijpakket koelventilator toepassingscircuit toont de vijf externe componenten: vier condensators en één weerstand. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

De A89307KETSR-J-gatedriver werkt bij 5,5 tot 50 volt DC. Het geïntegreerde FOC-algoritme omvat een constant koppel en constant vermogen, alsook open-loop en constante snelheidsbedrijfsmodi. De A89307KETSR-J bevat ingangen voor pulsbreedtemodulatie (PWM) of klokmodus snelheidsregeling, remmen, en richting, en uitgangssignalen voor foutcondities en motortoerental (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het interne blokschema van de A89307KETSR-J toont de FOC-controller (midden), de PWM- of klokmodus snelheidsregeling (SPD), rem (BRAKE) en richtingingangen (DIR) (links), en de fout (FAULT) en motortoerentaluitgange (FG) (ook links). (Afbeelding: Allegro MicroSystems)

De A89307KETSR-J is geoptimaliseerd voor het aansturen van externe N-kanaal vermogen-MOSFET's met lage weerstand. Hij kan de grote piekstroom leveren die nodig is om de MOSFET's snel "aan" en "uit" te schakelen om de vermogensdissipatie tijdens het schakelen te minimaliseren, de bedrijfsefficiëntie te verbeteren en het probleem van het thermisch beheer te verminderen. Er zijn meerdere gatedrive-niveaus beschikbaar, zodat ontwerpers de afweging tussen elektromagnetische interferentie (EMI) emissies en efficiëntie kunnen optimaliseren. Snelle inschakeling van de MOSFET's vermindert de schakelverliezen, maar verhoogt de EMI, terwijl langzamere inschakeling van de MOSFET's de EMI vermindert, met als tegenprestatie grotere schakelverliezen en een lager rendement.

Het motortoerental kan worden geregeld via de PWM-, analoge of KLOK-ingang. Gesloten toerentalregeling is een optie, met een programmeerbare toerental-per-minuutverhouding (RPM). De sensorloze opstartregeling omvat voorwaartse en achterwaartse prerotatie (windmolen) detectie en synchronisatie, waardoor de A89307KETSR-J kan werken met een groot aantal motor- en belastingsconfiguraties.

Het Non-Reverse Startup-algoritme van Allegro MicroSystems verbetert ook de opstartprestaties. De motor start in de juiste richting na het inschakelen zonder omgekeerde trillingen of schudden. De Soft-On-Soft-Off-functie verhoogt geleidelijk de stroom naar de motor met het "aan"-commando (windmolenconditie), en vermindert geleidelijk de stroom van de motor met het "uit"-commando, waardoor het akoestische geluid verder wordt verminderd (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De A89307KETSR-J-stroomgolfvormen voor zacht "aan" (boven) en zacht "uit" (onder) resulteren in een soepele werking van de motor en minder lawaai. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

De A89307KETSR-J bevat een I2C-interface voor het instellen van de nominale motorstroom, spanning, snelheid, weerstand en opstartprofiel. De I2C implementeert ook aan/uit en snelheidsregeling, alsmede snelheidsfeedback en foutsignalen.

Sensorloos FOC-evaluatiebord

Ontwerpers kunnen gebruik maken van het APEK89307KET-01-T-DK-evaluatiebord en bijbehorende software om de ontwikkeling van FOC-gebaseerde BLDC-motoraandrijvingen te versnellen met behulp van de A89307KETSR-J (Afbeelding 5). Dit bord bevat de A89307KETSR-J met toegang tot alle ingangs- en uitgangspinnen plus een complete driefasige vermogenstrap voor het aandrijven van een BLDC-motor. Ontwerpers kunnen FOC-aandrijfparameters selecteren met behulp van een eenvoudige grafische gebruikersinterface (GUI) en deze in de on-chip EEPROM laden. De minimale BOM-vereisten van de A89307KETSR-J maken het mogelijk aandrijvingen te ontwerpen die in de motorbehuizing passen, waardoor de oplossing nog kleiner wordt.

Afbeelding 5: Het APEK89307KET-01-T-DK-evaluatiebord heeft de A89307KETSR-J (U1, midden links op het bord) en zes power MOSFETs (rechts) om een BLDC motor aan te drijven. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

Sensors voor ADAS

Om compacte en kosteneffectieve ADAS-functies te kunnen uitvoeren, moeten ontwerpers van elektrische voertuigen de stroomniveaus in motoraandrijvingen, DC-DC-convertors en -omvormers kunnen meten, evenals de draaiposities van gaskleppen en cilinders en de snelheid en richting van de versnellingen in transmissies. Allegro MicroSystems biedt een verscheidenheid aan sensoroplossingen voor ADAS, waaronder:

Stroomdetectie: De ACS72981KLRATR-150B3 biedt ontwerpers economische en nauwkeurige AC of DC stroomdetectie. Deze uiterst nauwkeurige lineaire Hall-effect stroomsensor heeft een bandbreedte van 250 kilohertz (kHz) en is ontworpen voor gebruik bij motorbesturing, DC-DC-convertorbesturing, omvormingsbesturing en belastingsdetectie en -beheer. Het is een IC met AEC-Q100-kwalificatie en heeft een responstijd van <2 microseconden (µs), waardoor het voldoet aan de snelle detectiebehoeften voor overstroomfouten in veiligheidskritieke toepassingen.

3D positiebepaling: Contactloze lineaire en roterende 3D magnetische positiebepaling voor gaspedaal-, klep-, cilinder- en transmissiepositiedetectie kan snel worden geïmplementeerd met Allegro MicroSystems' A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC. Het toestel kan rotatiebewegingen meten in het horizontale en verticale vlak, en lineaire bewegingen van links naar rechts of van rechts naar voren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De 3D-positiesensor A31315LOLATR-XY-S-SE-10 kan een roterende beweging in het horizontale en verticale vlak meten, en een lineaire beweging van links naar rechts of van voor naar achteren. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

De A31315LOLATR-XY-S-SE-10-sensor biedt ontwerpers de keuze uit ratiometrische analoge, PWM, of SAE J2716 single edge nibble transmission (SENT) uitgangsformaten. Hij is ontwikkeld om te voldoen aan ISO 26262 ASIL B (enkelvoudige matrix, in een SOIC-8 pakket) en ASIL D (redundante dubbele matrix, in een TSSOP-14 pakket) in veiligheidsgerelateerde automobielsystemen.

Snelheid en richting: De ATS19520LSNBTN-RSWHPYU is een trillingsbestendige, differentiële Hall-effect transmissiesensor voor snelheid en richting van tandwieltanden, waarvan modellen beschikbaar zijn voor detectie in voor- en achterwaartse richting (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De getoonde "F"-variant van de ATS19520 meet voorwaartse rotatie wanneer een tandwiel van pin 1 naar pin 3 gaat (boven), en achterwaartse rotatie wanneer een tandwiel van pin 3 naar pin 1 gaat (onder). De "R"-variant meet de rotatie in tegengestelde richting. (Bron afbeelding: Allegro MicroSystems)

De ISO 26262 ASIL B-sensor heeft een geïntegreerde diagnostiek en is geschikt voor gebruik in xEV-aandrijflijnen. Het drie-pins, single-in-line pakket (SIP) bevat een geïntegreerde back bias-magneet om de snelheid en richting van roterende ferro-targets te meten, en een geïntegreerde condensator om elektromagnetische compatibiliteit te garanderen.

Conclusie

Geïntegreerde sensorloze FOC BLDC-motoraandrijvingen, samen met stroomsensoren, magnetische positiesensoren en rotatiesensors, zijn sleutelcomponenten die het ontwerp mogelijk maken van efficiënte en veilige xEV's met een groter rijbereik en een kleinere koolstofvoetafdruk. Met name het gebruik van FOC-motoraandrijvingen maakt het mogelijk efficiëntere en stillere koelsystemen te ontwerpen met een betere dynamische respons voor batterijpakketten en tractieomvormers. Van hun kant zijn compacte, nauwkeurige en energie-efficiënte sensoren van cruciaal belang voor de ontwikkeling van xEV's die voldoen aan de betrouwbaarheidseisen van geavanceerde rijhulpsystemen en de functionele veiligheidseisen van ISO 26262.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Innovatieve stroomdetectie voor voertuigelektrificatie
2. Effectieve toepassing van SiC-voedingsapparaten voor elektrische voertuigen met een groter bereik