Ridurre l'ansia da autonomia degli EV e migliorare la sicurezza utilizzando il controllo motori e sensori avanzati FOC integrati

I progettisti di veicoli elettrici (EV) e ibridi elettrici (HEV) (spesso indicati come xEV) sono sempre sotto pressione per fornire un chilometraggio maggiore per carica e ridurre l'ansia da autonomia, oltre che l'impronta di carbonio del veicolo. Allo stesso tempo, hanno bisogno di aggiungere più motori, sensori, elettronica associata, processori e software per soddisfare livelli più elevati di autonomia del veicolo, funzioni e sicurezza, riducendo al contempo i costi.

I motori per portiere, finestrini, ventole di raffreddamento della batteria, ventole e pompe del radiatore e altre caratteristiche sono un problema particolarmente spinoso, perché non solo aggiungono peso, ma richiedono anche algoritmi di controllo avanzati come il controllo a orientamento di campo (FOC) per ridurre al minimo il rumore e il consumo energetico, garantendo al contempo una risposta lineare. Il compito di progettazione generale del sistema è complicato dalla necessità di soddisfare anche i requisiti di sicurezza funzionale ISO 26262 e gli standard di qualità AEC-Q100.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono utilizzare diversi dispositivi qualificati per il settore automotive che forniscono livelli superiori di hardware e software che semplificano la progettazione e l'integrazione di varie funzioni, riducendo anche il numero di componenti e l'ingombro complessivo.

Questo articolo discute i problemi che devono affrontare i progettisti di EV e HEV. Quindi presenta e mostra come utilizzare un controller per motori brushless a corrente continua (BLDC) FOC altamente integrato e una scheda di valutazione associata per iniziare un progetto efficiente di un motore EV/HEV. Presenta anche vari sensori per monitorare la corrente, la posizione 3D, la velocità e la direzione, il tutto da un unico fornitore, Allegro MicroSystems.

Il costo, la sicurezza e l'ansia da autonomia dei veicoli elettrici

I problemi che i progettisti di xEV devono affrontare sono molti, tra cui il costo del veicolo, la sicurezza e l'affidabilità, soprattutto alla luce dei crescenti livelli di autonomia del veicolo, l'autonomia di guida per carica e la durata delle batterie.

Per supportare la sicurezza e l'affidabilità, sono necessari sensori avanzati che soddisfino i requisiti delle funzioni dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), definiti nella norma ISO 26262. Per il costo e la portata, i progettisti si sono rivolti a rail di alimentazione a tensione più alta, fino a 800 V, per una maggiore efficienza e un peso ridotto dei cavi, approfittando anche dei miglioramenti nella progettazione delle batterie.

Ad esempio, una migliore gestione termica della batteria ha contribuito a una maggiore autonomia di guida e a una maggiore durata della batteria, mentre il miglioramento del raffreddamento degli inverter di trazione EV e HEV aiuta ad aumentare la potenza e la densità di energia e a ridurre il peso.

Mentre i livelli più alti di integrazione dei dispositivi a semiconduttore stanno offrendo una maggiore funzionalità con peso e spazio minori, i motori BLDC necessari per le ventole di raffreddamento devono essere controllati per ottimizzare l'efficienza. Per questo, è utile includere algoritmi avanzati di controllo del motore come il FOC sul gate driver del controller per motori.

Raffreddamento ad alte prestazioni

Il FOC permette un funzionamento regolare dei motori elettrici su tutto l'intervallo di velocità e può generare la massima coppia all'avvio. Inoltre, FOC può fornire un'accelerazione e decelerazione del motore veloce e regolare, una caratteristica utile per un controllo accurato nelle applicazioni di movimento ad alte prestazioni. Il FOC può essere utilizzato per sviluppare driver a bassa tensione (LV) ad alta efficienza, compatti e silenziosi (50 V c.c. e meno) per una gamma di motori BLDC ad alte prestazioni fino a 500 W. Questi sono usati solitamente per le ventole di raffreddamento delle batterie ad alta tensione (HV) degli xEV, così come per le soffianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) e per le pompe di liquido per i sistemi di raffreddamento degli inverter a trazione HV (Figura 1).

Figura 1: I controller per motori FOC possono utilizzare l'energia della batteria LV per raffreddare le batterie HV xEV e gli inverter a trazione HV. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

Nei progetti convenzionali, il FOC è implementato con sensori esterni a mezzo di un microcontroller. Chiamati FOC diretti, questi progetti possono essere complessi, e tendono ad avere una risposta dinamica ridotta a causa della loro dipendenza da sensori esterni per misurare i parametri operativi del motore.

Il FOC con prestazioni migliori e costi inferiori è possibile eliminando i sensori esterni.

Le informazioni dai sensori mancanti sono ancora necessarie per implementare il FOC e possono essere estratte dalle tensioni e dalle correnti ai terminali del motore dalla forza controelettromotrice (f.c.e.m.) negli avvolgimenti del motore. Mentre l'hardware è più semplice, l'implementazione del FOC senza sensori richiede un software di controllo più complesso.

Un algoritmo FOC senza sensori può consentire i massimi livelli di efficienza e risposta dinamica minimizzando il rumore acustico. Fornisce anche un robusto avvio ad anello aperto quando il motore è fermo e non ha informazioni f.c.e.m. disponibili.

FOC facile per ventole e pompe di raffreddamento automotive

Mentre per la maggior parte dei driver BLDC FOC gli sviluppatori software devono scrivere un algoritmo per microprocessore o microcontroller, A89307KETSR-J di Allegro MicroSystems integra l'algoritmo FOC senza sensori direttamente nel gate driver. Con solo cinque componenti passivi esterni (quattro condensatori e un resistore), A89307KETSR-J minimizza anche la distinta base, migliora l'affidabilità e riduce la complessità del progetto (Figura 2).

Figura 2: Un tipico circuito applicativo della ventola di raffreddamento della batteria per xEV A89307KETSR-J mostra i cinque componenti esterni: quattro condensatori e un resistore. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

Il gate driver A89307KETSR-J funziona da 5,5 a 50 V c.c. L'algoritmo FOC integrato include una coppia costante e una potenza costante, così come modalità di funzionamento ad anello aperto e a velocità costante. A89307KETSR-J include ingressi per la modulazione della larghezza di impulso (PWM) o il controllo di velocità in modalità clock, la frenatura e la direzione, oltre a segnali di uscita per le condizioni di errore e la velocità del motore (Figura 3).

Figura 3: Il diagramma a blocchi interno di A89307KETSR-J mostra il controller FOC (al centro), il controllo di velocità (SPD) in modalità PWM o clock, la frenatura (BRAKE) e la direzione (DIR) (a sinistra), così come le uscite di guasto (FAULT) e di velocità motore (FG) (sempre a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J è ottimizzato per pilotare MOSFET esterni a canale N a bassa resistenza. Può fornire le grandi correnti di picco necessarie per accendere e spegnere rapidamente i MOSFET al fine di minimizzare la dissipazione di potenza durante la commutazione, migliorando l'efficienza operativa e riducendo i problemi di gestione termica. Sono disponibili più livelli di pilotaggio del gate, che permettono ai progettisti di trovare il compromesso ideale tra le emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI) e l'efficienza. L'accensione veloce dei MOSFET riduce le perdite di commutazione, ma aumenta le EMI, mentre un'accensione più lenta dei MOSFET riduce le EMI, a discapito di maggiori perdite di commutazione e minore efficienza.

La velocità del motore può essere controllata attraverso l'ingresso PWM, in modo analogico o tramite ingresso di clock. Il controllo della velocità ad anello chiuso è un'opzione, con un rapporto programmabile tra giri al minuto e frequenza di clock. Il controllo di avviamento senza sensori include sincronizzazione e rilevamento di pre-rotazione avanti e indietro e consente al dispositivo A89307KETSR-J di funzionare su varie configurazioni di motore e carico.

L'algoritmo Non-Reverse Startup di Allegro MicroSystems migliora anche le prestazioni di avvio. Il motore si avvia nella direzione corretta dopo l'accensione, senza controvibrazioni o sobbalzi. La funzione Soft-On-Soft-Off aumenta gradualmente la corrente al motore con il comando "On" (condizione di mulino a vento) e riduce gradualmente la corrente dal motore con il comando "Off", riducendo ulteriormente il rumore acustico (Figura 4).

Figura 4: Le forme d'onda di corrente A89307KETSR-J per soft "On" (in alto) e soft "Off" (in basso) danno come risultato un funzionamento regolare del motore e un rumore acustico ridotto. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J include un'interfaccia I²C per impostare la corrente nominale del motore, la tensione, la velocità, la resistenza e il profilo di avvio. I²C implementa anche il controllo on/off e di velocità, così come la retroazione di velocità e dei segnali di errore.

Scheda di valutazione FOC senza sensori

I progettisti possono utilizzare la scheda di valutazione APEK89307KET-01-T-DK e il software associato per accelerare lo sviluppo di comandi per motori BLDC basati su FOC utilizzando A89307KETSR-J (Figura 5). Questa scheda include A89307KETSR-J con accesso a tutti i pin di ingresso e di uscita, più uno stadio di alimentazione trifase completo per pilotare un motore BLDC. I progettisti possono selezionare i parametri dell'unità FOC utilizzando una semplice interfaccia grafica utente (GUI) e caricarli nella EEPROM su chip. I bassi requisiti di distinta base di A89307KETSR-J permettono di progettare comandi che si inseriscono nell'alloggiamento del motore, riducendo ulteriormente le dimensioni della soluzione finale.

Figura 5: La scheda di valutazione APEK89307KET-01-T-DK integra A89307KETSR-J (U1, al centro a sinistra della scheda) e sei MOSFET di potenza (a destra) per pilotare un motore BLDC. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

Sensori per ADAS

I progettisti di sistemi xEV devono poter rilevare i livelli di corrente nei comandi di motori, nei convertitori c.c./c.c. e negli inverter, così come le posizioni rotative delle valvole a farfalla e dei cilindri e la velocità e la direzione degli ingranaggi nelle trasmissioni per implementare funzioni ADAS compatte ed economiche. Allegro MicroSystems offre una varietà di soluzioni di sensori per ADAS, tra cui:

Rilevamento della corrente: ACS72981KLRATR-150B3 fornisce ai progettisti il rilevamento di corrente c.a. o c.c. economico e preciso. Questo sensore di corrente lineare a effetto Hall ad alta precisione ha una larghezza di banda di 250 kHz ed è progettato per l'uso nel controllo di motori, convertitori c.c./c.c. e inverter e nel rilevamento e nella gestione del carico. È un CI qualificato AEC-Q100 con un tempo di risposta di <2 µs, che supporta le esigenze di rilevamento rapido dei guasti di sovracorrente delle applicazioni critiche per la sicurezza.

Rilevamento della posizione 3D: il rilevamento della posizione magnetica 3D lineare e rotativa senza contatto per il rilevamento della posizione di acceleratore, valvola, cilindro e trasmissione può essere implementato rapidamente utilizzando il CI 3DMAG A31315LOLATR-XY-S-SE-10 di Allegro MicroSystems. Il dispositivo può misurare il movimento rotatorio nei piani orizzontale e verticale e misurare il movimento lineare da un lato all'altro o avanti/indietro (Figura 6).

Figura 6: Il sensore di posizione 3D A31315LOLATR-XY-S-SE-10 può misurare il movimento rotatorio nei piani orizzontale e verticale e il movimento lineare da un lato all'altro o avanti/indietro. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

Il sensore A31315LOLATR-XY-S-SE-10 fornisce ai progettisti la scelta dei formati di uscita analogico raziometrico, PWM o SAE J2716 SENT (Single Edge Nibble Transmission). È stato sviluppato per soddisfare la norma ISO 26262 ASIL B (singolo die, contenitore SOIC-8) e ASIL D (doppio die ridondante, contenitore TSSOP-14) nei sistemi automotive correlati alla sicurezza.

Velocità e direzione: ATS19520LSNBTN-RSWHPYU è un sensore di velocità e direzione dei denti della trasmissione a effetto Hall differenziale, tollerante alle vibrazioni, disponibili in modelli per il rilevamento della direzione avanti e indietro (Figura 7).

Figura 7: La variante "F" mostrata di ATS19520 misura la rotazione in avanti quando un dente dell'ingranaggio passa dal pin 1 al pin 3 (in alto) e la rotazione all'indietro quando passa dal pin 3 al pin 1 (in basso). La variante "R" misura la rotazione nelle direzioni opposte. (Immagine per gentile concessione di Allegro MicroSystems)

Il sensore classificato ISO 26262 ASIL B integra la diagnostica ed è adatto all'uso nelle trasmissioni xEV. Il contenitore SIP (Single-Inline Package) a tre pin integra un magnete per misurare la velocità e la direzione dei target ferrosi in rotazione e un condensatore per garantire la compatibilità elettromagnetica.

Conclusione

I comandi di motori FOC BLDC senza sensori integrati, insieme ai sensori di corrente, ai sensori di posizione magnetici e ai sensori di rotazione, sono componenti chiave che permettono di progettare xEV efficienti e sicuri con maggiori autonomie di guida e ridotte impronte di carbonio. L'uso di comandi di motori FOC, in particolare, permette di progettare sistemi di raffreddamento più efficienti e silenziosi con una migliore risposta dinamica per le batterie e gli inverter di trazione. Inoltre, sensori compatti, accurati e ad alta efficienza energetica sono fondamentali per lo sviluppo di xEV che soddisfano le esigenze di affidabilità dei sistemi avanzati di assistenza alla guida e i requisiti di sicurezza funzionale della norma ISO 26262.

Letture consigliate

1. Rilevamento innovativo della corrente per l'elettrificazione dei veicoli
2. Implementazione efficiente dei dispositivi di potenza SiC per aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici