牽引電機(jī)的總體發(fā)展趨勢(shì)

隨著市場(chǎng)朝著電動(dòng)汽車使用越來(lái)越廣泛的方向發(fā)展，兩個(gè)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(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車（BEV）和插電式混合動(dòng)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(dòng)制造商尋找既可提高性能又可使用更具成本效益的電動(dòng)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(dòng)車輛通常不具有變速器或只有低齒數(shù)變速器。電動(dòng)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(shí)候只需要一個(gè)或兩個(gè)差減變速器（gear ratio）即可。較少傳動(dòng)齒輪需要牽引電機(jī)比內(nèi)燃發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)在約6,000 rpm時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)速紅區(qū)，但許多電動(dòng)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(dòng)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(lái)一直在市場(chǎng)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(dòng)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(shí)度下可以達(dá)到27,200 rpm的轉(zhuǎn)速[a]。Model 3是過(guò)去幾年中廣受歡迎的電動(dòng)汽車之一，因此對(duì)高性能電動(dòng)汽車有明確的需求。將來(lái)，未來(lái)市場(chǎng)對(duì)能夠達(dá)到Model 3速度的牽引電機(jī)需求可能還會(huì)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(dòng)、低速和振動(dòng)要求

啟動(dòng)

牽引電機(jī)的啟動(dòng)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(jiàn)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(dòng)時(shí)提供絕對(duì)的轉(zhuǎn)子位置，這對(duì)于初始啟動(dòng)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(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子位置反饋的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)的相位不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速和/或“急動(dòng)”以匹配電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的初始相位，甚至可能與預(yù)期驅(qū)動(dòng)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(duì)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(chǎng)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(dòng)時(shí)不受與永磁同步解決方案相同的絕對(duì)位置反饋要求約束。由于啟動(dòng)時(shí)無(wú)需轉(zhuǎn)子和定子之間直接的相位匹配，因此啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)提供的信息很少甚至沒(méi)有（對(duì)于異步電機(jī)是可接受的），但是與旋轉(zhuǎn)變壓器及其絕對(duì)位置方案相比，還可以節(jié)省成本。雖然在啟動(dòng)時(shí)不必提供絕對(duì)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(jiàn)。

圖3 增量編碼與絕對(duì)編碼示例^[5]。

低速性能

低速性能對(duì)于牽引電機(jī)至關(guān)重要。由于對(duì)于大多數(shù)牽引電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)于正在開(kāi)發(fā)的用于牽引電機(jī)的自動(dòng)系統(tǒng)，例如自動(dòng)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(wú)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(cè)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(cè)到的輸出跳變數(shù)而定。增加目標(biāo)被感測(cè)特征數(shù)量將提高系統(tǒng)分辨率。

振動(dòng)

像啟動(dòng)和低速一樣，傳感器和控制器對(duì)振動(dòng)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(dòng)，如果未正確檢測(cè)和/或正確處理，則所有振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生潛在的誤差，進(jìn)而會(huì)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(shí)誤差，到轉(zhuǎn)子位置的完全錯(cuò)誤計(jì)算，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)不當(dāng)和對(duì)安全至關(guān)重要的故障。緩解控制系統(tǒng)中振動(dòng)所帶來(lái)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(jí)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的性能，而不會(huì)引起故障。這些與振動(dòng)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(dòng)算法已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。

旋轉(zhuǎn)變壓器和絕對(duì)位置編碼傳感器對(duì)振動(dòng)事件非常牢固。如今，傳感器能夠處理并消除振動(dòng)事件中的錯(cuò)誤信號(hào)，將有效信號(hào)提供給控制器。對(duì)于這些解決方案，不需要對(duì)反饋系統(tǒng)的先行知識(shí)即可正常運(yùn)行，并且控制器不需要額外的請(qǐng)求即可在振動(dòng)事件后恢復(fù)。在振動(dòng)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(gè)采樣上輸出轉(zhuǎn)子的精確位置。

增量式位置編碼器可能會(huì)因振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)別出索引或同步信號(hào)為止（通常每轉(zhuǎn)一次），轉(zhuǎn)子位置可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的誤差。

市場(chǎng)趨勢(shì)分析：?jiǎn)?dòng)、低速和振動(dòng)

為了滿足降低成本和擴(kuò)大續(xù)航里程的市場(chǎng)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(gè)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(zhǎng)期以來(lái)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(duì)必要的。

隨著用于電動(dòng)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(duì)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(duì)振動(dòng)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。總的趨勢(shì)是，隨著時(shí)間的流逝，EMC的牢固性已成為從OEM到1級(jí)和2級(jí)供應(yīng)商的一項(xiàng)更為關(guān)鍵和嚴(yán)格要求，對(duì)于牽引電機(jī)市場(chǎng)尤其如此。隨著更加復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)系統(tǒng)中使用的組件要求越來(lái)越高，需要免受雜散電磁場(chǎng)的影響并能承受更高的電壓、電流和其他電磁信號(hào)。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(duì)更具成本效益和更高效率牽引電機(jī)系統(tǒng)的需求，將會(huì)開(kāi)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(lái)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(jí)（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(xiǎn)到最高風(fēng)險(xiǎn)，ASIL的四個(gè)級(jí)別分別為A，B，C和D。隨著越來(lái)越多的自動(dòng)駕駛車輛開(kāi)始使用，車輛系統(tǒng)越來(lái)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(jí)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(shì)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(jiàn)的鐵磁齒輪或環(huán)形磁體目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置感測(cè)。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(gè)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(jiàn)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(shí)，可用于感測(cè)環(huán)形磁體或鐵磁目標(biāo)（見(jiàn)圖4）。

圖4 SG封裝（左）和K封裝（右）。

傳感器IC中集成了三個(gè)霍爾元件，因而能夠在IC中創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的差分磁感測(cè)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(chǎng)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(jiàn)的啟動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)目標(biāo)振動(dòng)引起的虛假輸出瞬態(tài)。差分信號(hào)用于產(chǎn)生高精度速度輸出，并在需要時(shí)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(hào)偏移和幅度，這種校準(zhǔn)與信號(hào)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(kāi)關(guān)點(diǎn)。

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

增量位置感測(cè)的實(shí)施

ATS17501 / A17501可通過(guò)使用ABZ編碼來(lái)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(hào)。索引或通道Z信號(hào)通常由單獨(dú)的傳感器產(chǎn)生，這些信號(hào)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(gè)傳感器才能獲得通道A和通道B的正交信號(hào)。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(shì)

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(duì)于高速開(kāi)關(guān)不斷增長(zhǎng)的需求。

啟動(dòng)性能/算法

可選的算法用于確定何時(shí)從磁輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)換。對(duì)于所有選項(xiàng)，都在ATS17501/A17501中設(shè)置了一個(gè)閾值，當(dāng)經(jīng)過(guò)數(shù)字化磁信號(hào)（開(kāi)關(guān)點(diǎn)）時(shí)，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(shí)，絕對(duì)閾值將存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，以設(shè)置開(kāi)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(hào)，而無(wú)需“學(xué)習(xí)”信號(hào)。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并在上電期間加載的閾值包含針對(duì)溫度的閾值水平，允許就溫度對(duì)磁性輸入信號(hào)進(jìn)行偏移漂移調(diào)整。傳感器IC包含一個(gè)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(kāi)關(guān)點(diǎn)。還可以將傳感器編程為使用“動(dòng)態(tài)閾值”選項(xiàng)，其中每個(gè)開(kāi)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(duì)不一致的磁輸入信號(hào)（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(duì)傳感器進(jìn)行編程，以使用“混合閾值”選項(xiàng)，即在啟動(dòng)時(shí)由“固定閾值”選項(xiàng)確定，然后在跟蹤信號(hào)正確獲取磁輸入信號(hào)之后轉(zhuǎn)換為“動(dòng)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(dòng)的負(fù)面影響的算法。當(dāng)發(fā)生方向變化時(shí)，將暫停峰值跟蹤信號(hào)的向內(nèi)邊界，以防止錯(cuò)誤地根據(jù)振動(dòng)信號(hào)設(shè)置來(lái)自開(kāi)關(guān)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸出轉(zhuǎn)換。另外，一旦在振動(dòng)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(hào)。

EMC魯棒性

ATS17501 / A17501包含一個(gè)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(cè)模式”后，它們會(huì)連續(xù)監(jiān)視并報(bào)告是否發(fā)現(xiàn)任何故障、計(jì)算錯(cuò)誤或無(wú)效的輸入激勵(lì)。如果診斷監(jiān)視器觸發(fā)，則傳感器IC可通過(guò)輸出電壓電平傳達(dá)故障。對(duì)于所有故障，輸出將保持在故障電壓電平足夠長(zhǎng)時(shí)間，以允許系統(tǒng)控制器能夠監(jiān)測(cè)到已發(fā)生的故障。對(duì)于某些診斷，可以通過(guò)重置傳感器IC的內(nèi)部控制器來(lái)清除故障。如果這些診斷監(jiān)視器中的任何一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間后，傳感器IC將自動(dòng)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(cè)故障事件。啟用故障檢測(cè)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(cè)模式”后，傳感器IC可以在ASIL B（D）級(jí)別系統(tǒng)中使用。 ASIL D系統(tǒng)可以通過(guò)使用多個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

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