快速發(fā)展的電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)行業(yè)正在發(fā)生翻天覆地的變化。雖然這些汽車的銷售情況仍遠遠落后于燃油汽車，但汽車制造商從他們的努力中已經(jīng)學(xué)到了許多。因此，汽車設(shè)計人員不能僅滿足于為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的運動控制元件。
汽車制造商正在行使他們的綜合購買力使新產(chǎn)品更符合他們的需求，與此同時，用于電子推進系統(tǒng)的功率電子元件、微控制器、系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具等方面也發(fā)生著巨大變化。
電動汽車的發(fā)展
電動機提供推進動力，而具有雙功能(電動發(fā)電機)的電動機還可以從各種新型汽車中恢復(fù)能量。除了人們熟知的豐田Prius混合動力產(chǎn)品外，還有多家汽車制造商正在開發(fā)或提供插電式混合動力、輕度混合動力汽車甚至微混合動力(沒有推進力)和純電動汽車(見表)。雖然每家制造商使用的術(shù)語可能稍有不同，但對大多數(shù)汽車制造商來說永磁同步電機(PMSM)是理想的選擇。
由于電機或電動機是汽車推進中的運動控制系統(tǒng)的中心部件，所以汽車制造商和供應(yīng)商一直不斷地改進現(xiàn)有設(shè)計，并開發(fā)新的替代產(chǎn)品。從目前汽車發(fā)展趨勢看，至少兩條路可走，一條是采用全新的電機設(shè)計，另一條是使用人們更加熟悉的方法。
就熟悉的方法而言，由于作為實現(xiàn)高性能永磁電機的關(guān)鍵要素：釹磁鐵的成本在不斷上升，促使汽車制造商和他們的一級供應(yīng)商對交流電機設(shè)計特別是感應(yīng)電機設(shè)計進行重新評估。
在底特律舉行的2011 SAE大會上，高效率電動機、發(fā)電機和功率電子控制器的開發(fā)商與制造商UQM Technologies公司工程技術(shù)副總裁Jon Lutz介紹了永磁電機的替代方案。
由于成本幾乎翻了4倍，再考慮到永磁體電機中使用的釹磁鐵主要產(chǎn)于中國，以前曾被認為可用性不高的感應(yīng)與繞線磁場設(shè)計得到了人們越來越多的關(guān)注，Lutz指出。
Lutz還認為，正在開展的材料研究可以最大限度地減少特定電機標準和替代磁體材料所需的釹含量。包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在內(nèi)的功率半導(dǎo)體技術(shù)的進步有望提高交流電機技術(shù)可實現(xiàn)的性能。
Protean Electric公司首席技術(shù)官Andy Watts認為，從更加激進的角度看，輪內(nèi)電機(IWM)可顯著改進電動汽車和混合動力汽車性能。該公司的Protean Drive就是用于汽車推進的一款高度集成、三相、永磁直接驅(qū)動解決方案。每個電機都有內(nèi)置的逆變器、控制電路和軟件(圖1)。
圖1：TT electronics公司定制的微型逆變器模塊，可提供Protean公司輪內(nèi)電子驅(qū)動系統(tǒng)中的集成式功率電子電路
Protean Electric公司在福特的F-150電池電動汽車(BEV)中安裝了4個輪內(nèi)電機。每個輪內(nèi)電機大小為18英寸，工作在400V直流電壓，采用了集成逆變器技術(shù)的Protean Drive PD18，在每分鐘1300轉(zhuǎn)時可以提供300Nm以上的扭矩，峰值功率可達84kW，連續(xù)功率為54kW。
仿真電機控制
為使新車更早上市，并避免可能影響到生產(chǎn)、進而引起質(zhì)量和可靠性問題的高代價開發(fā)錯誤，仿真工具是每個汽車制造商和許多供應(yīng)商工具箱中的一個有機組成部分。隨著電動汽車和混合動力汽車復(fù)雜性的提高，不管下一代設(shè)計涉及到新電機、新元件還是系統(tǒng)級改進，這些工具都是不可或缺的。
Ansys公司于2008年收購了Ansoft公司，因此可以提供新的仿真方法。目前人們對永磁電機的評估興趣仍是有增無減，Ansys公司先進技術(shù)部門技術(shù)總監(jiān)Scott Stanton指出。
“我們的客戶正在研究給電器設(shè)備更詳細建模、然后給系統(tǒng)工程師提供這種詳細模型的方法。”Stanton表示。
以前的建模技術(shù)依賴于提供電機的電感和電阻等參數(shù)，對今天的仿真而言顯得太過粗略?，F(xiàn)在，Ansys工程師與客戶一起使用場解算器來了解機器的性能。
“他們使用Ansys電磁場解算器分析問題，表征機器行為，然后根據(jù)結(jié)果創(chuàng)建模型。”Stanton指出。使用新模型可以表征大部分電機特性(圖2)。
圖2：用于電機控制系統(tǒng)的Ansys Simplorer仿真工具包含基于物理的模型，可解決熱、磁、機械、電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)等諸多問題。
得到增強的系統(tǒng)分析能力是重新評估交流電機技術(shù)的一個有機組成部分。據(jù)Stanton透露，他有許多客戶正在研究替換永磁電機的可行性。
“自從六、七年前向客戶介紹永磁設(shè)計以來，他們就一直在使用永磁設(shè)計。”他指出，“現(xiàn)在他們突然來找我們，并表示，‘我們現(xiàn)在正在解決感應(yīng)電機問題，我們正在解決同步磁阻問題。’”
除了比較機器性能外，客戶還使用仿真工具為感應(yīng)機器建立新的控制策略，這要比控制永磁機器困難得多。
從Stanton與Ansys客戶合作過程中發(fā)現(xiàn)，功率半導(dǎo)體將繼續(xù)沿著人們熟悉的路徑發(fā)展。“IGBT將在很長時間內(nèi)成為半導(dǎo)體產(chǎn)品的首選。”他表示。不過，采用Ansys方法后，SiC和GaN當然會聯(lián)合系統(tǒng)供應(yīng)商一起進行評估，從而判斷這些新技術(shù)可能給混合動力汽車和電動汽車帶來的優(yōu)勢和問題。
新思公司(Synopsys)的Saber是一整套物理建模和仿真工具，汽車制造商和一級供應(yīng)商可以使用這些工具對牽引電機控制用功率電子器件進行設(shè)計、驗證和優(yōu)化。“Saber工具可以幫助客戶分析和優(yōu)化獨立或集成進完整系統(tǒng)的單個子系統(tǒng)。”新思Saber產(chǎn)品線業(yè)務(wù)開發(fā)高級經(jīng)理Lee Johnson表示。
新思工程師期望SiC和GaN等新器件材料能應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車設(shè)計。“我們已經(jīng)發(fā)布了首批SiC器件型號，可以讓客戶開始理解這些新技術(shù)對他們的電機控制設(shè)計的影響。”Johnson透露。
雖然地球稀有磁體的高昂成本不斷鼓勵人們研究其它電機技術(shù)，但Johnson堅持認為還必須考慮其它多種成本，包括控制電路的復(fù)雜性、熱和電磁兼容(EMC)行為以及機器可靠性。“Saber仿真工具為客戶評估新的電機類型和控制策略提供了理想的平臺，客戶無需再使用硬件原型和物理測試裝置。”他表示。
基于模型的設(shè)計(MBD)和MathWorks工具已被廣泛用于電動汽車和混合動力汽車的牽引電機控制領(lǐng)域，用于生產(chǎn)計劃和快速原型創(chuàng)建。這些系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高是使用模型設(shè)計的一個重要理由。
“我們發(fā)現(xiàn)人們廣泛使用可執(zhí)行模型來捕獲設(shè)計，使用仿真進行設(shè)計折衷，并在實現(xiàn)中使用自動代碼生成功能。”MathWorks公司汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Wensi Jin指出。
MathWorks公司應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw相信，SimPowerSystem及其電力驅(qū)動和功率電子元件模型的發(fā)展有助于簡化電動汽車和混合動力汽車的開發(fā)。“針對設(shè)計折衷和控制器驗證而使用庫模塊快速建立電機驅(qū)動的系統(tǒng)級仿真的能力被證實對電機控制器開發(fā)人員來說極具價值。”Fillyaw指出(圖3)。
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圖3：SimPowerSystem仿真模型顯示了在電動汽車電機控制系統(tǒng)中的電動機和發(fā)電機中的數(shù)據(jù)流動
系統(tǒng)復(fù)雜性的提高對嵌入式控制器的仿真和執(zhí)行所需的處理能力提出了更高的要求。因此Fillyaw看到電機控制開發(fā)人員對使用ASIC和FPGA越來越有興趣，因為它們可以提供執(zhí)行電機模型硬件在環(huán)(HIL)仿真環(huán)境中實現(xiàn)實時控制器測試所需的處理帶寬。
“可以使用Simulink HDL編碼器從模型中產(chǎn)生硬件描述語言(HDL)代碼，而這些模型可以使用工業(yè)標準工具進行仿真和綜合，然后在FPGA和ASIC上實現(xiàn)。”Fillyaw指出。
電動汽車電機所需的運算能力
最初電動汽車和混合動力汽車中的電機控制依賴于專業(yè)技術(shù)以及大多數(shù)情況下傳統(tǒng)汽車MCU供應(yīng)商提供的產(chǎn)品。例如，作為領(lǐng)先的汽車MCU供應(yīng)商，瑞薩公司(Renesas)多年來一直致力于電動汽車和混合動力汽車的研發(fā)，目前正在研發(fā)適合下一代系統(tǒng)使用的新型設(shè)計。
瑞薩公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Amrit Vivekanand已經(jīng)看到從第一代設(shè)計到第二代設(shè)計的顯著變化。“在第一代設(shè)計中，汽車制造商對成本不是那么在意。”Vivekanand表示。
雖然成本一直是個問題，但出貨數(shù)量可能很少，因此上市時間和創(chuàng)建環(huán)保形象更加重要。這些系統(tǒng)“并沒有針對電機控制或混合動力汽車”應(yīng)用進行過優(yōu)化，Vivekanand指出。
對于2016至2018這一時期的產(chǎn)品來說，重點將真正轉(zhuǎn)向更加大眾化的產(chǎn)品。這將使汽車制造商不禁要問上幾個與系統(tǒng)有關(guān)的問題。“如何降低成本？如何提高效率？如何減小電池尺寸？”Vivekanand問道，“如何盡可能高效地轉(zhuǎn)換能量？”
Vivekanand提示在第一代設(shè)計標準和第二代設(shè)計標準之間策略有明顯改變。“第一代設(shè)計是全力保證安全地控制電機，這是設(shè)計師們的主要考慮因素，但現(xiàn)在首要因素變成了效率問題。”他指出?，F(xiàn)在，為了管理能量轉(zhuǎn)換效率和處理系統(tǒng)折衷，電機控制不得不做得特別復(fù)雜。
飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)可以向一級廠商和OEM的電機控制電路設(shè)計提供微控制器技術(shù)。“目前為止，飛思卡爾和市場上的大多數(shù)公司一直在重復(fù)利用為底盤控制和傳動系等其它應(yīng)用設(shè)計的微控制器。”飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器部門業(yè)務(wù)經(jīng)理Steven Rober透露。未來，飛思卡爾計劃采用更加完整的系統(tǒng)方法。
飛思卡爾的下一代55nm微控制器有望集成源自底盤控制器件的定制電機控制外設(shè)。這些底盤控制器件能夠驅(qū)動帶電流測量與控制功能的三相電機，并將這些功能與高吞吐量微處理器和大內(nèi)存?zhèn)鲃酉到Y(jié)合在一起。Rober希望這些改變可以通過改進控制信號來提高系統(tǒng)的可控性，并允許更高復(fù)雜度的電機控制算法，進而降低成本。
Rober預(yù)測，許多低端至中端汽車設(shè)計將采用電子控制系統(tǒng)來控制IC引擎和牽引電機。“我們新的55nm微控制器集內(nèi)存、吞吐量和控制外設(shè)于一身，非常適合這些汽車設(shè)計使用。”他指出。
德州儀器(TI)發(fā)現(xiàn)最近推出的雙子系統(tǒng)C2000 Concerto微控制器可在混合動力汽車以及其它非汽車應(yīng)用中發(fā)揮重要使用。該系列微控制器整合了C28x內(nèi)核和ARM Cortex-M3內(nèi)核，是實時控制和連接的理想之選。
“C2000在汽車控制和數(shù)字電機控制中總是扮演著重要角色。”TI公司C2000 MCUU營銷經(jīng)理Michael Wei表示，“鑒于我們擁有的能力，我們的價值在交流感應(yīng)設(shè)計得到了真正體現(xiàn)。”
根據(jù)為汽車系統(tǒng)開發(fā)的ISO 26262功能性安全標準，TI公司認為未來電動汽車和混合動力汽車電機控制中的一大變化是更加全面的安全要求。
“TMS470M可以與起牽引電機控制驅(qū)動作用的C2000實現(xiàn)完美配合。”TI公司安全MCU部門營銷經(jīng)理Anthony Vaughan表示。
在這種架構(gòu)中，TMS470M提供安全功能。有位用戶的前代系統(tǒng)使用C2000實現(xiàn)電機控制。針對下一代系統(tǒng)，這位用戶將增加TMS470M。“例如，所有閃存都有ECC(糾錯碼)保護功能，因此它能檢測單個比特錯誤，并實時進行糾正。”據(jù)Vaughan介紹。
傳動系所用產(chǎn)品的供應(yīng)商完全可以增加混合動力汽車和電動汽車用的電機控制產(chǎn)品。例如，Microsemi公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Minal Sawent指出，Microsemi公司已經(jīng)從最近收購Actel中獲得經(jīng)AEC Q100認證的、為傳動系應(yīng)用設(shè)計的產(chǎn)品。
最新的SmartFusion產(chǎn)品包含了一款集成有硬ARM Cortex-M3和可編程模擬技術(shù)的FPGA。電機控制開發(fā)套件有助于用戶演示該產(chǎn)品在電機控制應(yīng)用方面的性能。雖然這些產(chǎn)品目前還沒有獲得汽車行業(yè)認證，但這種認證已經(jīng)成為Microsemi公司今后的追求目標。
圖4：英飛凌電機控制模塊圖定義了電動汽車和混合動力汽車中關(guān)鍵高層元件間的關(guān)系
實際功率
逆變器中的功率半導(dǎo)體器件直接連接電動汽車或混合動力汽車中的永磁、感應(yīng)或其它電機。逆變器獲取電池中的直流能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換為運轉(zhuǎn)電機所需的交流能量。
“提高逆變器效率對電池尺寸有直接影響。”英飛凌科技公司(Infineon)混合與電動汽車技術(shù)部門營銷經(jīng)理Carl Bonfiglio指出。
Bonfiglio發(fā)現(xiàn)，汽車制造商對更高功率電平的要求已經(jīng)達到頂峰。“我們不認為他們能繼續(xù)提高逆變器的輸出功率，因此現(xiàn)在的目標是縮小逆變器尺寸。”他表示。
在加州阿納海姆市舉行的SAE2011混合動力汽車討論會暨電動汽車討論會的演講中，英飛凌公司汽車事業(yè)部總裁Jochen Hanebeck介紹了在未來電動汽車與混合動力汽車領(lǐng)域中 功率半導(dǎo)體技術(shù)有望產(chǎn)生的許多變化。
與目前工作在200℃結(jié)點溫度的標準技術(shù)相比，Hanebeck認為在相同使用時間條件下每單位硅片面積可以增加60%以上的輸出功率，或者在相同輸出功率條件下每單位硅片面積可延長500%以上的使用時間。另外一種好處是，在相同使用時間和輸出功率條件下硅片面積可以減少40%以上，并且具有更強的溫度冷卻功能，甚至可以取消低溫散熱器(圖5)。
圖5：隨著封裝和硅技術(shù)的發(fā)展，英飛凌希望其電源模塊能輸出更大的功率，同時仍具有30年的使用壽命
柵極驅(qū)動IC的改進對系統(tǒng)有很大的好處?，F(xiàn)在的情況是能夠快速診斷不同的故障條件，然后采取措施，并與主要的微控制器進行通信，實現(xiàn)正確的響應(yīng)。“在診斷要求不是太高的場合，業(yè)界一般采用面向工業(yè)電機控制開發(fā)的柵極驅(qū)動器。”Bonfiglio指出。
僅車載診斷(OBD)要求就足以推動這些進步。通過修改和完善，目前的方法可以經(jīng)過優(yōu)化實現(xiàn)更低的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。
TT electronics公司為Protean Electric公司的輪內(nèi)電機開發(fā)了定制的微型逆變器/模塊。TT electronics公司全球技術(shù)部總監(jiān)Steve Jones認為集成式輪內(nèi)電子驅(qū)動系統(tǒng)具有巨大優(yōu)勢，包括為更大的SUV汽車提供足夠的功率和扭矩，節(jié)省車輛內(nèi)的乘用空間等。他還看好交流電機和半導(dǎo)體技術(shù)。
“人們對混合動力汽車的感應(yīng)控制很感興趣。這種混合動力汽車在城市內(nèi)用電力驅(qū)動，在其它地方則使用內(nèi)燃機。”Jones表示，“這種改進可以很快完成，因而能很快上市。” #p#分頁標題#e#
TT electronics公司在為電動汽車/混合動力汽車市場開發(fā)新產(chǎn)品的過程中實現(xiàn)了多種新技術(shù)。“使用SiC器件和兼容封裝可提供諸多應(yīng)用優(yōu)勢，包括更大的功率密度、更低的開關(guān)損耗、更高的工作頻率和更高的工作溫度。”Jones表示。
交流電機技術(shù)和先進的半導(dǎo)體器件當然不是推動未來電動汽車和混合動力汽車發(fā)展的唯一潛在變化。Ioxus有限公司工程技術(shù)副總裁Dave Torrey認為，電機驅(qū)動系統(tǒng)是可以從超級電容受益的汽車系統(tǒng)之一，這種超級電容可以在加速狀態(tài)下補充電池電壓。
“如果你使用超級電容，你就真正擁有了一個在電池和超級電容之間混用的能量系統(tǒng)。”Torrey表示，“超級電容可以支持這種功率。”
正確的方向
汽車制造商正在努力向兩次充電之間實現(xiàn)更低燃油消耗、更長電動行駛距離和更長時間的方向發(fā)展。因此，他們需要得到擁有關(guān)鍵技術(shù)的各家供應(yīng)商的幫助?？傊?，千里之行始于足下，只要邁出第一步，就有成功的希望。
“我發(fā)現(xiàn)整個混合動力汽車市場仍處于初級階段。”Ansys公司的Stanton表示，“對我來說就像是100年前汽車產(chǎn)業(yè)的啟蒙時期。你所擁有的是這些小型供應(yīng)商和OEM以及試圖向汽車市場出售電機和設(shè)計的汽車修理人員。”
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