未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)牽引電機需求和速度傳感器解決方案

牽引電機的總體發(fā)展趨勢

隨著(zhù)市場(chǎng)朝著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)使用越來(lái)越廣泛的方向發(fā)展，兩個(gè)關(guān)鍵因素將影響現有牽引電機系統的需求發(fā)展方式：

1. 降低成本：使電動(dòng)汽車(chē)的入門(mén)成本與內燃機汽車(chē)基本一致。

2. 擴大范圍：使電池動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（BEV）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）成為更廣泛應用的可行選擇方案。這些因素將繼續推動(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(chē)電機解決方案。

不斷發(fā)展的電機需求

高速度

與內燃機汽車(chē)不同，電動(dòng)車(chē)輛通常不具有變速器或只有低齒數變速器。電動(dòng)汽車(chē)使用的牽引電機需要在廣泛的速度范圍內有效運行；因此，大多數時(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)齒輪需要牽引電機比內燃發(fā)動(dòng)機以更高的轉速運行。這使傳感設備必須執行一組新的技術(shù)要求。

雖然典型的內燃發(fā)動(dòng)機在約6,000 rpm時(shí)進(jìn)入轉速紅區，但許多電動(dòng)汽車(chē)牽引電機的運轉能力卻遠不止于此，找到比ICE發(fā)動(dòng)機轉速快兩倍或更多的EV電機非常容易。例如，自2016年以來(lái)一直在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的雪佛蘭Bolt EV使用最大轉度為8,810 rpm的牽引電機，這是在Bolt前身Chevrolet Spark EV（2013 – 2016）基礎上的改進(jìn)，Chevrolet Spark EV使用的最大轉速僅為4,500 rpm ^[1]。日產(chǎn)聆風(fēng)（Leaf）是可與Bolt媲美的車(chē)輛，它使用的是EM57牽引電機，最大速度為10,390 rpm ^[2]。

特斯拉Model 3等更高性能電動(dòng)汽車(chē)需要更高的轉速。據估計，Model 3牽引電機在162 mph最高時(shí)度下可以達到27,200 rpm的轉速[a]。Model 3是過(guò)去幾年中廣受歡迎的電動(dòng)汽車(chē)之一，因此對高性能電動(dòng)汽車(chē)有明確的需求。將來(lái)，未來(lái)市場(chǎng)對能夠達到Model 3速度的牽引電機需求可能還會(huì )增大，必須重新設計半導體傳感器件，以滿(mǎn)足這些新的高速高性能應用需求。

啟動(dòng)、低速和振動(dòng)要求

啟動(dòng)

牽引電機的啟動(dòng)要求根據所涉及的電機類(lèi)型而有很大差異。大多數汽車(chē)牽引電機都使用永磁同步電機（PMSM）或感應電機（異步電機）。每種電機具有不同的功能，因而也具有不同的傳感器件要求。

[a]該值是根據車(chē)輛的最高速度、車(chē)輪直徑和齒輪減速比計算得出。

圖1 常見(jiàn)的汽車(chē)牽引電機類(lèi)型^[3]。

永磁同步電機

基于永磁同步電機的應用需要反饋解決方案，可在啟動(dòng)時(shí)提供絕對的轉子位置，這對于初始啟動(dòng)至關(guān)重要，因為同步電機的定子和轉子需要“同相”運行。啟動(dòng)時(shí)轉子位置反饋的錯誤會(huì )導致電機驅動(dòng)的相位不一致，導致轉子加速和/或“急動(dòng)”以匹配電機驅動(dòng)器的初始相位，甚至可能與預期驅動(dòng)器的方向相反。

用于永磁同步電機需求的現有解決方案通常包括絕對位置編碼器或旋轉變壓器（resolver）。旋轉變壓器由于其在惡劣汽車(chē)應用環(huán)境中呈現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 旋轉變壓器示例^[4]。

感應電機

基于感應電機的應用在啟動(dòng)時(shí)不受與永磁同步解決方案相同的絕對位置反饋要求約束。由于啟動(dòng)時(shí)無(wú)需轉子和定子之間直接的相位匹配，因此啟動(dòng)時(shí)轉子將遵循任何給出的定子相位。

能夠滿(mǎn)足感應電機需求的現有解決方案通常使用旋轉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（對于異步電機是可接受的），但是與旋轉變壓器及其絕對位置方案相比，還可以節省成本。雖然在啟動(dòng)時(shí)不必提供絕對位置，但由于可提供更高的可靠性，旋轉變壓器在使用感應電機的應用中仍然很常見(jiàn)。

圖3 增量編碼與絕對編碼示例^[5]。

低速性能

低速性能對于牽引電機至關(guān)重要。由于對于大多數牽引電機系統來(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控制不良而造成的任何額外功率損失。此外，對于正在開(kāi)發(fā)的用于牽引電機的自動(dòng)系統，例如自動(dòng)停車(chē)和特斯拉的“智能召喚”功能，要求這些電機控制系統的反饋具有更高分辨率。

盡管諸如旋轉變壓器之類(lèi)的模擬傳感解決方案具有無(wú)限的分辨率，但牽引系統仍然受到控制器ADC分辨率和系統噪聲等限制。增加ADC的位數（達到受系統噪聲界定的程度），并降低系統噪聲將導致更高分辨率。

編碼器等數字感測解決方案（例如解決方案）具有內置的分辨率，根據每轉感測到的輸出跳變數而定。增加目標被感測特征數量將提高系統分辨率。

振動(dòng)

像啟動(dòng)和低速一樣，傳感器和控制器對振動(dòng)事件的響應在牽引電機系統性能中起著(zhù)很大作用。牽引電機系統中存在多種形式的振動(dòng)，如果未正確檢測和/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的反饋回路，例如從角度的微小和暫時(shí)誤差，到轉子位置的完全錯誤計算，都會(huì )導致電機驅動(dòng)不當和對安全至關(guān)重要的故障。緩解控制系統中振動(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，一些傳感器的設計采用了高級算法，能夠實(shí)現所期望的性能，而不會(huì )引起故障。這些與振動(dòng)相關(guān)的技術(shù)似乎是一項新的進(jìn)步，但在諸如變速器和曲軸傳感器之類(lèi)的特殊應用中，振動(dòng)算法已經(jīng)存在了很長(cháng)時(shí)間。

旋轉變壓器和絕對位置編碼傳感器對振動(dòng)事件非常牢固。如今，傳感器能夠處理并消除振動(dòng)事件中的錯誤信號，將有效信號提供給控制器。對于這些解決方案，不需要對反饋系統的先行知識即可正常運行，并且控制器不需要額外的請求即可在振動(dòng)事件后恢復。在振動(dòng)事件期間，系統的響應完全取決于控制器，因為傳感器將繼續在每個(gè)采樣上輸出轉子的精確位置。

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，因此需要在傳感器和控制器中更加精細，以減輕由于振動(dòng)引起的影響。如果出現缺失或多出的齒數，則傳感器和/或控制器可以根據振動(dòng)的嚴重程度和齒數誤差在不同程度上進(jìn)行補償。否則，直到識別出索引或同步信號為止（通常每轉一次），轉子位置可能會(huì )出現不同程度的誤差。

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

為了滿(mǎn)足降低成本和擴大續航里程的市場(chǎng)需求，可以預期永磁同步電機將繼續成為牽引電機受歡迎的解決方案，這已從特斯拉Model 3中的第一個(gè)同步電機解決方案設計中得到了證明。盡管特斯拉長(cháng)期以來(lái)一直倡導使用感應電機解決方案，但為了使Model 3 [b]滿(mǎn)足總體成本和效率要求^[6]，改用同步電機是絕對必要的。

隨著(zhù)用于電動(dòng)車(chē)輛牽引系統的永磁同步電機持續發(fā)展，再加上為降低成本而不斷增大的壓力，汽車(chē)制造商需要尋找替代現有高成本旋轉變壓器和絕對位置編碼器的解決方案。

另外，替代解決方案需要滿(mǎn)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(mǎn)足對振動(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用、器件和所在地區等而變化?？偟内厔菔?，隨著(zhù)時(shí)間的流逝，EMC的牢固性已成為從OEM到1級和2級供應商的一項更為關(guān)鍵和嚴格要求，對于牽引電機市場(chǎng)尤其如此。隨著(zhù)更加復雜系統的開(kāi)發(fā)，對系統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。另外，鑒于牽引電機系統等應用電氣化程度不斷提高，這些系統及其中包含的組件將需要適應嚴格的排放要求。

同樣，出于對更具成本效益和更高效率牽引電機系統的需求，將會(huì )開(kāi)發(fā)出更多的高壓系統。這將要求部件承受的額定電壓要比前幾代產(chǎn)品高得多，這同樣適用于內燃機或其他單電池/低壓應用。

可靠性、功能安全性和ASIL要求

功能安全在汽車(chē)行業(yè)中變得越來(lái)越重要。大多數OEM都遵循ISO 26262標準，它定義了汽車(chē)安全完整性等級（ASIL）分類(lèi)系統，使用ISO 26262標準可確保車(chē)輛使用壽命內的可靠性和故障管理。從最低風(fēng)險到最高風(fēng)險，ASIL的四個(gè)級別分別為A，B，C和D。隨著(zhù)越來(lái)越多的自動(dòng)駕駛車(chē)輛開(kāi)始使用，車(chē)輛系統越來(lái)越需要遵守更嚴格的安全要求，并且大多數系統將需要D級特性。

[b]應該注意的是，根據特斯拉Model 3的選配方案，提供的牽引電機可以是永磁同步電機，也可以是永磁同步電機和感應電機。

滿(mǎn)足牽引電機趨勢需求的解決方案

ATS17501 / A17501是單片集成電路（IC）解決方案，設計用于牽引電機系統中常見(jiàn)的鐵磁齒輪或環(huán)形磁體目標的旋轉位置感測。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)溫度范圍內具有穩定的應用性能，并能夠提高可靠性（見(jiàn)圖4）。A17501采用4引線(xiàn)SIP（“ K”封裝）封裝，當用背磁體正確地“反向偏置”時(shí)，可用于感測環(huán)形磁體或鐵磁目標（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)獨立的差分磁感測通道。這些輸入由數字IC電路和強大的算法進(jìn)行處理，旨在消除磁場(chǎng)和系統偏移中的有害影響，并解決由牽引電機系統中常見(jiàn)的啟動(dòng)和低速運行時(shí)目標振動(dòng)引起的虛假輸出瞬態(tài)。差分信號用于產(chǎn)生高精度速度輸出，并在需要時(shí)提供有關(guān)旋轉方向的信息。

先進(jìn)的校準技術(shù)可用于優(yōu)化信號偏移和幅度，這種校準與信號的數字跟蹤相結合，可以在氣隙、速度和溫度等參數上產(chǎn)生準確的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。

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

增量位置感測的實(shí)施

ATS17501 / A17501可通過(guò)使用ABZ編碼來(lái)跟蹤旋轉齒輪的位置。雙路輸出能夠產(chǎn)生正交的通道A和通道B信號。索引或通道Z信號通常由單獨的傳感器產(chǎn)生，這些信號可用于確定目標的旋轉速度和方向。

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。使用ATS17501或A17501，可以減少傳感器、電線(xiàn)和線(xiàn)束的數量，從而降低整體系統成本和復雜性。

圖6 被ATS17501 / A17501取代的之前雙傳感器解決方案。

ATS17501 / A17501在牽引電機應用中的優(yōu)勢

高速度

ATS17501 / A17501非常適合牽引電機應用。這些傳感器IC的最高工作頻率為40 kHz，可以滿(mǎn)足牽引電機對于高速開(kāi)關(guān)不斷增長(cháng)的需求。

啟動(dòng)性能/算法

可選的算法用于確定何時(shí)從磁輸入信號產(chǎn)生輸出轉換。對于所有選項，都在A(yíng)TS17501/A17501中設置了一個(gè)閾值，當經(jīng)過(guò)數字化磁信號（開(kāi)關(guān)點(diǎn)）時(shí)，該閾值觸發(fā)輸出轉換。若把傳感器IC編程為使用“固定閾值”選項時(shí)，絕對閾值將存儲在非易失性存儲器中，以設置開(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確的輸出轉換，以獲得一致的磁輸入信號，而無(wú)需“學(xué)習”信號。存儲在存儲器中，并在上電期間加載的閾值包含針對溫度的閾值水平，允許就溫度對磁性輸入信號進(jìn)行偏移漂移調整。傳感器IC包含一個(gè)溫度傳感器，可用于根據應用需要連續在溫度范圍內調節開(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，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)都是根據有關(guān)先前目標特征信息計算得出。該算法能夠實(shí)現魯棒的跟蹤，并針對不一致的磁輸入信號（偏置漂移、幅度變化等）產(chǎn)生準確的輸出轉換。此外，可以對傳感器進(jìn)行編程，以使用“混合閾值”選項，即在啟動(dòng)時(shí)由“固定閾值”選項確定，然后在跟蹤信號正確獲取磁輸入信號之后轉換為“動(dòng)態(tài)閾值”選項。

ATS17501和A17501還包含可抵消牽引電機系統中振動(dòng)的負面影響的算法。當發(fā)生方向變化時(shí)，將暫停峰值跟蹤信號的向內邊界，以防止錯誤地根據振動(dòng)信號設置來(lái)自開(kāi)關(guān)點(diǎn)的錯誤輸出轉換。另外，一旦在振動(dòng)事件之后真正的目標旋轉恢復，就可以立即獲取磁輸入信號。

EMC魯棒性

ATS17501 / A17501包含一個(gè)片上穩壓器，可以在很寬的電源電壓范圍內工作。如果使用適當的外部組件，傳感器則具有強大的EMC性能。

安全/ ASIL

ATS17501 / A17501包含有模擬和數字電路診斷監視器。在啟用“故障檢測模式”后，它們會(huì )連續監視并報告是否發(fā)現任何故障、計算錯誤或無(wú)效的輸入激勵。如果診斷監視器觸發(fā)，則傳感器IC可通過(guò)輸出電壓電平傳達故障。對于所有故障，輸出將保持在故障電壓電平足夠長(cháng)時(shí)間，以允許系統控制器能夠監測到已發(fā)生的故障。對于某些診斷，可以通過(guò)重置傳感器IC的內部控制器來(lái)清除故障。如果這些診斷監視器中的任何一個(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(cháng)時(shí)間后，傳感器IC將自動(dòng)執行內部控制器的復位，以允許系統控制器監測故障事件。啟用故障檢測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“故障檢測模式”后，傳感器IC可以在A(yíng)SIL B（D）級別系統中使用。 ASIL D系統可以通過(guò)使用多個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現。

結束語(yǔ)

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