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技术资料

    最初电动汽车和混合动力汽车中的电机控制依赖于专业技术以及大多数情况下传统汽车MCU供应商提供的产品。例如,作为领先的汽车MCU供应商,瑞萨公司(Renesas)多年来一直致力于电动汽车和混合动力汽车的研发,目前正在研发适合下一代系统使用的新型设计。

    瑞萨公司业务发展总监Amrit Vivekanand已经看到从第一代设计到第二代设计的显著变化。“在第一代设计中,汽车制造商对成本不是那么在意。”Vivekanand表示。

    虽然成本一直是个问题,但出货数量可能很少,因此上市时间和创建环保形象更加重要。这些系统“并没有针对电机控制或混合动力汽车”应用进行过优化,Vivekanand指出。

    对于2016至2018这一时期的产品来说,重点将真正转向更加大众化的产品。这将使汽车制造商不禁要问上几个与系统有关的问题。“如何降低成本?如何提高效率?如何减小电池尺寸?”Vivekanand问道,“如何尽可能高效地转换能量?”

    Vivekanand提示在第一代设计标准和第二代设计标准之间策略有明显改变。“第一代设计是全力保证安全地控制电机,这是设计师们的主要考虑因素,但现在首要因素变成了效率问题。”他指出。现在,为了管理能量转换效率和处理系统折衷,电机控制不得不做得特别复杂。

    飞思卡尔半导体(Freescale)可以向一级厂商和OEM的电机控制电路设计提供微控制器技术。“目前为止,飞思卡尔和市场上的大多数公司一直在重复利用为底盘控制和传动系等其它应用设计的微控制器。”飞思卡尔半导体微控制器部门业务经理Steven Rober透露。未来,飞思卡尔计划采用更加完整的系统方法。

    飞思卡尔的下一代55nm微控制器有望集成源自底盘控制器件的定制电机控制外设。这些底盘控制器件能够驱动带电流测量与控制功能的三相电机,并将这些功能与高吞吐量微处理器和大内存传动系结合在一起。Rober希望这些改变可以通过改进控制信号来提高系统的可控性,并允许更高复杂度的电机控制算法,进而降低成本。

    Rober预测,许多低端至中端汽车设计将采用电子控制系统来控制IC引擎和牵引电机。“我们新的55nm微控制器集内存、吞吐量和控制外设于一身,非常适合这些汽车设计使用。”他指出。

    德州仪器(TI)发现最近推出的双子系统C2000 Concerto微控制器可在混合动力汽车以及其它非汽车应用中发挥重要使用。该系列微控制器整合了C28x内核和ARM Cortex-M3内核,是实时控制和连接的理想之选。

    “C2000在汽车控制和数字电机控制中总是扮演着重要角色。”TI公司C2000 MCUU营销经理Michael Wei表示,“鉴于我们拥有的能力,我们的价值在交流感应设计得到了真正体现。”

    根据为汽车系统开发的ISO 26262功能性安全标准,TI公司认为未来电动汽车和混合动力汽车电机控制中的一大变化是更加全面的安全要求。

    “TMS470M可以与起牵引电机控制驱动作用的C2000实现完美配合。”TI公司安全MCU部门营销经理Anthony Vaughan表示。

    在这种架构中,TMS470M提供安全功能。有位用户的前代系统使用C2000实现电机控制。针对下一代系统,这位用户将增加TMS470M。“例如,所有闪存都有ECC(纠错码)保护功能,因此它能检测单个比特错误,并实时进行纠正。”据Vaughan介绍。

    传动系所用产品的供应商完全可以增加混合动力汽车和电动汽车用的电机控制产品。例如,Microsemi公司产品营销经理Minal Sawent指出,Microsemi公司已经从最近收购Actel中获得经AEC Q100认证的、为传动系应用设计的产品。

    最新的SmartFusion产品包含了一款集成有硬ARM Cortex-M3和可编程模拟技术的FPGA。电机控制开发套件有助于用户演示该产品在电机控制应用方面的性能。虽然这些产品目前还没有获得汽车行业认证,但这种认证已经成为Microsemi公司今后的追求目标。
     
    图4:英飞凌电机控制模块图定义了电动汽车和混合动力汽车中关键高层元件间的关系

    实际功率

    逆变器中的功率半导体器件直接连接电动汽车或混合动力汽车中的永磁、感应或其它电机。逆变器获取电池中的直流能量,然后将这种能量转换为运转电机所需的交流能量。

    “提高逆变器效率对电池尺寸有直接影响。”英飞凌科技公司(Infineon)混合与电动汽车技术部门营销经理Carl Bonfiglio指出。

    Bonfiglio发现,汽车制造商对更高功率电平的要求已经达到顶峰。“我们不认为他们能继续提高逆变器的输出功率,因此现在的目标是缩小逆变器尺寸。”他表示。

    在加州阿纳海姆市举行的SAE2011混合动力汽车讨论会暨电动汽车讨论会的演讲中,英飞凌公司汽车事业部总裁Jochen Hanebeck介绍了在未来电动汽车与混合动力汽车领域中 功率半导体技术有望产生的许多变化。

    与目前工作在200℃结点温度的标准技术相比,Hanebeck认为在相同使用时间条件下每单位硅片面积可以增加60%以上的输出功率,或者在相同输出功率条件下每单位硅片面积可延长500%以上的使用时间。另外一种好处是,在相同使用时间和输出功率条件下硅片面积可以减少40%以上,并且具有更强的温度冷却功能,甚至可以取消低温散热器(图5)。
     
    图5:随着封装和硅技术的发展,英飞凌希望其电源模块能输出更大的功率,同时仍具有30年的使用寿命

    栅极驱动IC的改进对系统有很大的好处。现在的情况是能够快速诊断不同的故障条件,然后采取措施,并与主要的微控制器进行通信,实现正确的响应。“在诊断要求不是太高的场合,业界一般采用面向工业电机控制开发的栅极驱动器。”Bonfiglio指出。

    仅车载诊断(OBD)要求就足以推动这些进步。通过修改和完善,目前的方法可以经过优化实现更低的成本和系统复杂性。

    TT electronics公司为Protean Electric公司的轮内电机开发了定制的微型逆变器/模块。TT electronics公司全球技术部总监Steve Jones认为集成式轮内电子驱动系统具有巨大优势,包括为更大的SUV汽车提供足够的功率和扭矩,节省车辆内的乘用空间等。他还看好交流电机和半导体技术。

    “人们对混合动力汽车的感应控制很感兴趣。这种混合动力汽车在城市内用电力驱动,在其它地方则使用内燃机。”Jones表示,“这种改进可以很快完成,因而能很快上市。”

    TT electronics公司在为电动汽车/混合动力汽车市场开发新产品的过程中实现了多种新技术。“使用SiC器件和兼容封装可提供诸多应用优势,包括更大的功率密度、更低的开关损耗、更高的工作频率和更高的工作温度。”Jones表示。

    交流电机技术和先进的半导体器件当然不是推动未来电动汽车和混合动力汽车发展的唯一潜在变化。Ioxus有限公司工程技术副总裁Dave Torrey认为,电机驱动系统是可以从超级电容受益的汽车系统之一,这种超级电容可以在加速状态下补充电池电压。

    “如果你使用超级电容,你就真正拥有了一个在电池和超级电容之间混用的能量系统。”Torrey表示,“超级电容可以支持这种功率。”

    正确的方向

    汽车制造商正在努力向两次充电之间实现更低燃油消耗、更长电动行驶距离和更长时间的方向发展。因此,他们需要得到拥有关键技术的各家供应商的帮助。总之,千里之行始于足下,只要迈出第一步,就有成功的希望。

    “我发现整个混合动力汽车市场仍处于初级阶段。”Ansys公司的Stanton表示,“对我来说就像是100年前汽车产业的启蒙时期。你所拥有的是这些小型供应商和OEM以及试图向汽车市场出售电机和设计的汽车修理人员。”

    [来源:www.sygasspring.com] [作者:www.sygasspring.com] [日期:12-07-05] [热度:]
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