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電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV)（通常稱為 xEV）系統的設計者面臨著持續的壓力，要求每次充電提供更多的里程，以減少里程焦慮和降低車輛碳排放。同時，他們需要增加更多的電機、傳感器、相關電子器件、處理器和軟件，以滿足更高水平的車輛自主性、用戶功能和安全性，同時也要降低成本。 用于門、窗、電池冷卻風扇、散熱器風扇和泵以及其他功能的電機就是一個特別棘手的問題，因為它們不僅增加了重量，還需要先進的控制算法，如磁場定向控制 (FOC)，以盡量減少噪音和功耗，同時確保平穩響應。由于需要同時滿足 ISO 26262 功能安全要求和 AEC-Q100 質量標準，因此整個系統設計任務變得非常復雜。 為了應對這些挑戰，設計者可以尋求采用各種符合車規要求的器件，這些器件擁有更高的硬件和軟件水平，簡化了各種功能的設計和集成，同時也減少了零件數量和總體空間占地。 本文討論了電動汽車和混合動力汽車設計者所面臨的問題。然后，介紹并展示了如何使用高度集成的 FOC 無刷直流 (BLDC) 電機控制器和相關評估板來啟動高效的 EV/HEV 電機設計。最后還展示了各種監測電流、3D 位置、速度和方向的傳感器，所有這些都來自一家叫 Allegro MicroSystems 的廠商。 電動汽車面臨的成本、安全和里程焦慮問題 xEV 的設計者必須解決的問題很多，包括車輛成本、安全性和可靠性——尤其是在車輛自主性水平不斷提高的情況下，每次充電的行駛里程（里程焦慮）和電池組壽命。 為了獲得安全性和可靠性，需要先進的傳感器來滿足 ISO 26262 中定義的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 功能的要求。為了降低成本和提高里程，設計者已經轉向使用高達 800 伏的高電壓電源軌，以提高效率和減少電纜重量，同時也在利用電池組設計改進。 例如，改進電池熱管理有助于提高行駛里程和延長電池壽命，而改進電動汽車和混合動力汽車牽引逆變器的冷卻則有助于提高功率和能量密度并減輕重量。 雖然隨著半導體器件集成度越來越高，使得在更小的重量和空間下實現了更多的功能，但必須嚴控必要冷卻風扇所需的無刷直流電機，以優化效率。為了實現這一目標，在電機控制器柵極驅動器上包括先進的電機控制算法，如 FOC，是非常有用的。 高性能冷卻 FOC 可以使電機在整個速度范圍內平穩運行，并且可以在啟動時產生全扭矩。此外，FOC 可以提供快速而平穩的電機加速和減速，這一特性對于高性能運動應用中的精確控制非常有用。FOC 可用于開發高效、緊湊和安靜的低壓 (LV)（50 伏及以下直流）驅動器，適合最高 500 瓦的高性能 BLDC 電機系列。這些電機通常用于 xEV 高壓 (HV) 電池冷卻風扇，以及加熱通風和空調 (HVAC) 風機和高壓牽引變頻器冷卻系統的液體泵（圖 1）。 
圖 1：FOC 電機控制器可以使用低壓電池電源來冷卻 xEV 高壓電池和高壓牽引逆變器。（圖片來源：Allegro MicroSystems） 在傳統設計中，FOC 是通過外部傳感器使用微控制器來實現的。這些設計稱為直接 FOC，可能很復雜，而且由于依賴外部傳感器來測量電機的運行參數，往往會出現動態響應降低問題。 通過取消外部傳感器，可以實現性能更好、成本更低的 FOC。 要實現 FOC ，仍然需要來自缺失傳感器的信息，并且可以從電機終端的電壓和電流中提取電機繞組中的反電動勢 (BEMF)。雖然硬件比較簡單，但無傳感器 FOC 的實現需要更復雜的控制軟件。 無傳感器的 FOC 算法可以實現最高的效率和動態響應，同時最大限度地減少聲學噪音。它還為電機處于靜止狀態時提供了強大的開環啟動，此時沒有 BEMF 信息可用。 用于汽車冷卻風扇和泵的簡易 FOC 雖然大多數 FOC 無刷直流驅動器需要軟件開發人員編寫并將算法移植到微處理器或微控制器中，但 Allegro MicroSystems 的 A89307KETSR-J 將無傳感器 FOC 算法直接集成到了柵極驅動器中。A89307KETSR-J 只有五個外部無源元件（四個電容和一個電阻），最大限度地減小了物料清單 (BOM)，提高了可靠性，并降低了設計復雜性（圖 2）。
圖 2：典型的 A89307KETSR-J xEV 電池組冷卻風扇應用電路顯示了五個外部元件：四個電容和一個電阻。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 柵極驅動器工作電壓為 5.5 至 50 伏直流。集成的 FOC 算法包括恒定扭矩和恒定功率，以及開環和恒定速度工作模式。A89307KETSR-J 包括用于脈沖寬度調制 (PWM) 或時鐘模式速度控制、制動和方向的輸入，以及用于故障條件和電機速度的輸出信號（圖 3）。
圖 3：A89307KETSR-J 的內部框圖顯示了 FOC 控制器（中間）、PWM 或時鐘模式速度控制 (SPD)、剎車 (BRAKE) 和方向 (DIR) 輸入（左邊），以及故障 (FAULT) 和電機速度 (FG) 輸出（也在左邊）。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 經過優化，可驅動外部低導通電阻 N 溝道功率 MOSFET。它可以提供快速開啟和關閉 MOSFET 所需的大峰值驅動電流，以盡量減少開關期間的功率耗散，提高運行效率并減少熱管理問題。它提供多種柵極驅動水平，能夠讓設計人員優化電磁干擾 (EMI) 輻射和效率之間的權衡。MOSFET 的快速導通減少了開關損耗，但增加了 EMI，而較慢的 MOSFET 導通則減少了EMI，其代價是增加開關損耗和降低效率。 電機速度可以通過 PWM、模擬或 CLOCK 輸入來控制。此外還有閉環速度控制選項，且每分鐘轉數 (RPM) 與時鐘頻率之比可編程。無傳感器啟動控制包括正向和反向預旋轉（風車）檢測和同步，使得 A89307KETSR-J 能夠在廣泛的電機和負載配置范圍內運行。 Allegro MicroSystems 的非返向啟動算法也提高了啟動性能。上電后電機將以正確的方向啟動，沒有反向振動或搖晃。軟啟動-軟關閉功能在“開啟”指令下逐漸增加電機的電流（風車狀態），在“關閉”指令下逐漸減少電機的電流，進一步降低了聲音噪音（圖 4）。
圖 4：A89307KETSR-J 的軟“啟動”（上）和軟“關閉”（下）的電流波形使得電機運行平穩，降低了聲學噪音。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 包括一個 I2C 接口，用于設置電機額定電流、電壓、速度、電阻和啟動曲線。I2C 還實現了開/關和速度控制，以及速度反饋和故障信號。 無傳感器 FOC 評估板 設計者可以使用 APEK89307KET-01-T-DK 評估板和相關軟件來加快使用 A89307KETSR-J 開發基于 FOC 的 BLDC 電機驅動器（圖 5）。該板包括 A89307KETSR-J，可訪問所有輸入和輸出引腳，外加一個完整的三相功率級，用于驅動 BLDC 電機。設計者可以使用一個簡單的圖形用戶界面 (GUI) 選擇 FOC 驅動參數，并將其加載到片上 EEPROM 中。A89307KETSR-J 物料需要最小，使得驅動器的設計可以安裝在電機外殼內，進一步減少了解決方案的尺寸。
圖 5：APEK89307KET-01-T-DK 評估板上有 A89307KETSR-J（U1，位于板子中間左側）和六個功率 MOSFET（右側）來驅動一個 BLDC 電機。（圖片來源：Allegro MicroSystems） 用于 ADAS 的傳感器 xEV 系統的設計者需要檢測電機驅動器、DC-DC 轉換器和逆變器中的電流水平，節流閥和氣缸的旋轉位置，以及變速器中齒輪的速度和方向，以實現緊湊而經濟的 ADAS 功能。Allegro MicroSystems 為 ADAS 提供了各種傳感器解決方案，包括： 電流檢測：ACS72981KLRATR-150B3 為設計者提供了經濟而精確的交流或直流電流檢測能力。這種高精度線性霍爾效應電流傳感器的帶寬為 250 千赫茲 (kHz)，旨在用于電機控制、DC-DC 轉換器控制、逆變器控制以及負載檢測和管理。它是一個符合 AEC-Q100 標準的 IC，響應時間 <2 微秒 (μs)，支持安全關鍵型應用的快速過流故障檢測需求。 3D 位置檢測：使用 Allegro MicroSystems 的 A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC，可以快速實現用于節氣門、閥門、氣缸和變速器位置檢測的非接觸式線性和旋轉 3D 磁性位置檢測。該器件可以測量水平和垂直平面上的旋轉運動，并測量橫向或前后線性運動（圖 6）。
圖 6：A31315LOLATR-XY-SE-10 3D 位置傳感器可以測量水平和垂直平面的旋轉運動，并測量橫向或前后的線性運動。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A31315LOLATR-XY-S-SE-10 傳感器為設計者提供了比率式模擬、PWM 或 SAE J2716 單邊半字節傳輸 (SENT) 輸出格式的選擇。它的開發是為了滿足安全相關型汽車系統中 ISO 26262 ASIL B（單芯片，SOIC-8 封裝）和 ASIL D（冗余雙芯片，TSSOP-14 封裝）的能力。 速度和方向：ATS19520LSNBTN-RSWHPYU 是一種耐振動、差動霍爾效應傳動速度和方向齒輪齒傳感器，有正向和反向感應型號（圖 7）。
圖 7：所示 ATS19520 的 "F" 型變體能夠測量齒輪齒從引腳 1 到引腳 3（頂部）通過時的正向旋轉以及齒輪齒從引腳 3 到引腳 1（底部）通過時的反向旋轉。"R" 變型則測量相反方向的旋轉。（圖片來源：Allegro MicroSystems） ISO 26262 ASIL B 級傳感器具有集成診斷功能，適合用于 xEV 驅動系統。三引腳單列直插式封裝 (SIP) 包括一個集成的背部偏移磁鐵，用于測量旋轉的含鐵目標的速度和方向，以及一個集成電容器，以確保電磁兼容性。 結語 集成無傳感器 FOC 無刷直流電機驅動器以及電流傳感器、磁性位置傳感器和旋轉傳感器，是設計具有更大里程數和更低碳排放的高效和安全型 xEV 的關鍵組件。特別是，使用 FOC 電機驅動器，可以設計出更高效、更安靜的冷卻系統，并改善電池組和牽引逆變器的動態響應。就其本身而言，緊湊、精確和節能的傳感器對于開發滿足高級駕駛輔助系統可靠性要求和 ISO 26262 功能安全要求的 xEV 至關重要。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
