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EV电机如何设计才能跟上潮流

发布时间:2020-01-17 00:51:46 编辑:笔名

HEV/EV电机如何设计才能跟上潮流?

混合动力车(HEV)和纯电动车(EV)因具有较高的燃油效率和近于零的排放,同时价格也越来越低,而在全球市场中取得了快速的发展。在汽车行业的发展方向上,油电混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)正成为一个明显的趋势。

HEV/EV发展的阻碍

许多OEM在HEV及EV车辆设计时遇到的挑战来自于牵引电机的设计。这种电机在大多数情况下都是内置式永磁同步电机。对此类电机来说,如何减少电能及磁损耗是能否保证终车辆行驶里程及燃油效率的关键。与此同时,工程师需要考虑结构、温度及电磁等方面的问题,因为这些将影响车辆的性能、可靠性和成本。

在快速发展的HEV及EV市场,OEM需要快速地解决这些问题,才能够满足越来越短的产品开发周期的要求。集成式的多物理模拟技术可以在制作物理样机之前就让工程师快速地对各种设计方案的功能、性能和成本进行评估,从而解决这一挑战。这种方式可以让工程师在相对较短的时间内对牵引电机的设计性能及满足按传统设计要求的成本进行优化。

电机设计要点解读

在电机/发电机开发过程中,设计小组首先要把重点放在电机的电磁兼容性上。电机组件的初CAD绘图和相关工程规格为电子设计优化软件提供初始数据——对电机/发电机的主要特性进行定义,包括永磁材料、线圈结构、线圈匝数及气隙等。

这些参数然后再为电磁场模拟软件提供数据,用于计算电机的扭矩波形——比如说,在车辆以电机模式驱动的时候扭矩逐渐增加的方式,或车辆在制动再生模式下刹车时电阻的变化情况。软件还会对车身重量进行分析,以决定加速情况以及在不同状况下的停机时间。根据不同的分析结果,设计团队会调整基本的设计参数(比如永磁体尺寸)对设计进行优化,根据电机的尺寸、重量和成本来平衡其性能。

扭矩分析结果还会用于结构力学求解器中,用于计算动力总成物理部件的机械应力、负荷、变形及振动数据,其中包括驱动轴和齿轮系统。振动分析非常重要,因为牵引电机可能是电动汽车上主要的振动源。此外,设计人员通过流体力学求解器来分析电机的热管理效果,对能量损耗进行绘图,并确定电机/发电机总成中的热量分布情况。

将两个单独优化的零部件组合在一起得到的系统并不一定是的。对HEV及EV牵引电机的设计来说,这点尤为明显——在具体设计过程中,电机必须作为整个系统的一部分进行设计和优化。该系统还包括电力电子、控制器及其他零部件。因此,一款高性能产品的设计如果涉及电气、热管理、机电、电磁及控制器等不同领域时,就需要采用多领域的系统模拟软件。这种技术需要将不同的物理分析结合在一起,才能得到的、完美结合的纯电动动力系统。

牵引电机是整个动力系统的一部分,其中包含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变器、电缆母线以及机械负荷,这些都要在一个集成模拟软件中进行建模分析。工程师可以通过电子热流软件来确定动力系统中主要热源的几何参数——其中热源包括IGBT和电机/发电机中通电的部件。每一个热源都要单独对应到软件中的主要兴趣点上(POI),同时考虑到空气循环和传导的热能。系统会对这些数据进行处理并生成一个热模型,从而确定每个IGBT的整体温度波形图。分析软件还会提供与温度有关的性能变量,比如电池消耗的电量,从而确保热量水平不会超过规定的限值而对IGBT性能带来负面的影响。通过该温度波形图,工程师可以利用基于FEA的结构求解器的热结构分析功能来确定终的热应力。

在整个电磁及机械开发过程中,所有的计算分析以及不同物理模型之间的数据交换都由统一的模拟平台负责协调完成,包括那些针对不同负荷以及对比不同设计进行的计算。这种多物理联合模拟只有在软件运行环境统一且程序之间的数据流动畅通的情况下才能够发挥较高的效率。

举例来说,我们采用了一个普通的模拟平台来模拟牵引电机设计中常见的多物理问题。该模拟的终目的是要确定定子叠片及线圈上的应力及变形数据,作为振动/声学噪音或疲劳分析的初始数据。几何参数对结构及热学分析来说都是非常常见的。磁场求解器计算电磁损耗及磁力大小。获得的损耗值按单元对单元的方式作为热应力自动导入到热学求解器中,从而计算出温度波形图。接着温度波形图再映射到结构求解器,计算出热应力。

与此同时,热应力的磁力部分从电磁求解器中映射到结构求解器中。工程师可以在结构求解器中直接施加任何额外的力。终的模拟会把在真实运行条件下所有作用于电机上的负荷同步计算在内,从而基于真实条件对电机性能进行模拟。一旦模拟完成,工程师可以通过常用的模拟平台改变几何参数并更新在不同物理状态下进行的模拟,而且采用全自动的方式,不必针对各个模拟再重新设置一遍。

那么,在电动汽车中,会有哪些驱动电机呢?

解析电动汽车的四种驱动电机

一、电动汽车对于驱动电机的要求

目前对于电动汽车性能的评定,主要是考虑以下三个性能指标:

(1)行驶里程(km):电动汽车在电池充满电后的行驶里程;

(2)加速能力(s):电动汽车从静止加速到一定的时速所需要的小时间;

(3)时速(km/h):电动汽车所能达到的时速。

针对于电动汽车的驱动特点所设计的电机,相比于工业用电机有着特殊的性能要求:

(1)电动汽车驱动电机通常要求可以频繁的启动/停车、加速/减速、转矩控制的动态性能要求较高;

(2)为了减少整车的重量,通常取消多级变速器,这就要求在低速或爬坡时,电机可以提供较高的转矩,通常来说要能够承受倍的过载;

(3)要求调速范围尽量大,同时在整个调速范围内还需要保持较高的运行效率;

(4)电机设计时尽量设计为高额定转速,同时尽量采用铝合金外壳,高速电机体积小,有利于减少电动汽车的重量;

(5)电动汽车应具有化的能量利用,具有制动能量回收功能,再生制动回收的能量一般要达到总能量的10%-20%;

(6)电动汽车所使用的电机工作环境更加复杂、恶劣,要求电机在有着很好的可靠性和环境适应性,同时还要保证电机生产的成本不能过高。

二、几种常用的驱动电机

直流电动机

在电动汽车发展的早期,大部分的电动汽车都采用直流电动机作为驱动电机,这类电机技术较为成熟,有着控制方式容易,调速优良的特点,曾经在调速电动机领域内有着为广泛的应用。但是由于直流电动机有着复杂的机械结构,例如:电刷和机械换向器等,导致它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高受到限制,而且在长时间工作的情况下,电机的机械结构会产生损耗,提高了维护成本。此外,电动机运转时电刷冒出的火花使转子发热,浪费能量,散热困难,也会造成高频电磁干扰,影响整车性能。由于直流电动机有着以上缺点,目前的电动汽车已经基本将直流电机淘汰。

交流异步电动机

交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机,其特点是定、转子由硅钢片叠压而成,两端用铝盖封装,定、转子之间没有相互接触的机械部件,结构简单,运行可靠耐用,维修方便。交流异步电机与同功率的直流电动机相比效率更高,质量约轻了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势,交流异步机是目前大功率电动汽车上应用广的电机。目前,交流异步电机已经大规模化生产,有着各种类型的成熟产品可以选择。但在高速运转的情况下电机的转子发热严重,工作时要保证电机冷却,同时异步电机的驱动、控制系统很复杂,电机本体的成本也偏高,相比较于永磁式电动机和开关磁阻电机而言,异步电机的效率和功率密度偏低,对于提高电动汽车的行驶里程不利。

永磁式电动机

永磁式电动机根据定子绕组的电流波形的不同可分为两种类型,一种是无刷直流电机,它具有矩形脉冲波电流;另一种是永磁同步电机,它具有正弦波电流。这两种电机在结构和工作原理上大体相同,转子都是永磁体,减少了励磁所带来的损耗,定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩,所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构,工作时不会产生换向火花,运行安全可靠,维修方便,能量利用率较高。

永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。但是由于受到永磁材料工艺的限制,使得永磁式电动机的功率范围较小,一般功率只有几十千万,这是永磁电机的缺点。同时,转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下,会产生磁性衰退的现象,所以在相对复杂的工作条件下,永磁式电机容易发生损坏。而且永磁材料价格较高,因此整个电机及其控制系统成本较高。

开关磁阻电机

开关磁阻电机作为一种新型电机,相比其他类型的驱动电机而言,开关磁阻电机的结构为简单,定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构,转子上没有绕组,定子装有简单的集中绕组,具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统的可控性好的优良特性,同时适用于恶劣环境,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。

考虑到作为电动汽车驱动电机使用,直流电机和永磁式电机在结构和面对复杂的工作环境适应性太差,很容易发生机械和退磁的故障,所以本文着重介绍开关磁阻电机与交流异步机相比,有着以下方面的明显优势。

电机本体结构方面

开关磁阻电机的结构比鼠笼式感应电机更简单,其突出的优点是转子上没有绕组,仅仅是由普通硅钢片叠压而成。整个电机的损耗大部分集中于定子绕组上,这使得电机制造简单,绝缘性好,容易冷却,有着的散热特性,这种电机结构能减小电机体积和重量,可以用很小的体积取得较大的输出功率。由于电机转子机械弹性好,所以开关磁阻电机可以用于超高速运行。

电机驱动电路方面

开关磁阻电机驱动系统的相电流是单向的,同时与转矩方向无关,可以只用一个主开关器件来满足电机的四象限运行状态。功率变换器电路与电机的励磁绕组直接串联,各相电路独立供电,即使电机的某相绕组或者控制器发生故障,只需使该相停止工作即可,不会造成更大的影响。所以,无论电机本体还是功率变换器都十分安全可靠,所以比异步机更适合用于恶劣环境。

电机系统性能方面

开关磁阻电机的控制参数多,很容易通过适当的控制策略和系统设计满足电动汽车的四象限运行的要求,并且在高速运行区域也能保持的制动能力。开关磁阻电机不仅效率高,而且在很宽的调速范围内都可以保持高效率,这是其他类型的电机驱动系统难以媲美的。这种性能十分适合应用于电动汽车的运行情况,非常有利于提高电动汽车的续行里程。

好马配好鞍,好的驱动电机需要有对应的MCU来控制。

电机控制器MCU有哪些?

一、TIDRV10963

该 DRV10963是一款5V三相位无传感器BLDC电机驱动器,可简化布局,将板级空间减少80%,从而可帮助设计人员创建更具创新性、更小巧、更时尚的设计方案。它包含集成型换向逻辑,无需代码开发,可实现电机瞬间启动,而其180度纯正弦输出则可实现高效静音驱动。

DRV10963的主要特性与优势:

更长的电池使用寿命:与性能接近的同类竞争产品相比,其5.5至2.1 V低电压工作范围、不足1.5欧姆的低导通电阻(RDSON)以及超低睡眠电流可将电池使用寿命延长达25%,充分满足电动剃须刀和电动牙刷等风扇及便携式电池供电个人健康护理设备需求。与接近同类竞争产品的30μA 相比,它可提供 15 uA 的静态电流,进一步延长电池使用寿命;

低功耗:采用16位超低功耗MSP430G2452 Value Line微控制器,内建计时器,提供多达16个支持触摸传感功能的I/O引脚,内建通信以及多功能模拟比较器,从而可在不足 1μs 的时间内从低功耗模式唤醒为工作模式;

更快的产品上市进程:集成型换向逻辑无需代码开发,而高级片上保护则可降低设计复杂性,提高系统可靠性。这可将开发时间从数月锐减至几分钟;

更小的板级空间、更高的易用性:与其它分立式解决方案相比,单芯片解决方案可将板级空间减少80%,而集成型功率MOSFET则可简化布局;

高效静音驱动:纯正弦输出可实现高效率无噪声工作。

工具与支持

DRV10963EVM评估板(EVM)是一款用于运行3相位BLDC电机的低成本无传感器解决方案。该EVM包含为脉宽调制(PWM)配置的TLC555低功耗定时器以及调整电机速度的电位计。

二、富士通MB91580

在车用电机控制技术中,环回控制(loopback control)很重要,而这款MCU比较好的控制了回环控制,高效是关键。举一些例子,MB91580提供了12位A/D转换器和R/D转换器,以检测高速条件下电机的电流和位置,而且有较高的分辨率。R/D转换器计算得到的解析器电动角被锁存到专用寄存器中,并与A/D转换器检测出的三相电流同步。控制算法将受益于浮点运算单元(FPU)和速度矢量转换和优于标准整数处理10%至15%的小数点数字计算。MB91580系列的所有器件均基于富士通半导体的闪存技术,提供了程序存储器以及一个单独的作为E2PROM仿真存储的工作闪存。

MB91580的电流、定位检测和反馈控制

当然,说起MCU一定要说主控制器,MB91580系列的主处理器采用FR81S核心、单精度FPU,CPU频率为128MHz,8通道DMA。工程师都知道,这种类型的MCU,应用范围比较广泛,包括HEV/EV逆变器、HEV/EV发电机的控制、通用电机控制、电动助力转向系统等。具体的,大家可以看看下面的这个图,一目了然。

MB91580L框图

丰富的电机控制功能

电机控制,一定要提电机控制功能。高达1MB的闪存程序存储器;高达128KB的RAM +8KB保留RAM;64KB工作闪存,这些是MB91580系列的内存现状。不难得到结论,电机控制功能包括:集成了RDC、RDC激发信号波形生成、12路电机调速波形发生器、正交编码器。

下面介绍一些细节,大家可以做下参考:MB91580系列在连通性方面有3通道CAN/64Msg缓冲区、5通道多功能串行(LIN,SPI,I2C,UART)和FlexRay接口(A+B)。模拟功能包括总共24通道输入的12位ADC。定时器有很多种配置:24×16位PPG、8通道×16位ICU、12通道×16位OCU、6通道×16位FRT、4通道×16位RLT、2通道×16位基定时器、2通道×16位的U/D计数器。

安全问题永远不能落下:

MPU、针对所有类型内存的ECC、看门狗、内部和外部电源低电压检测器、时钟监视器、CPU诊断、总线诊断、RAM诊断、NMI、32位CRC生成器。

重要的一点是低功耗!MB91580系列的一个突出特点,给广大工程师举一些例子,8KB保留RAM、灵活的时钟控制、RC振荡器。其他功能还包括端口引脚重定位、8个外部中断线、闪存安全、单线片上调试单元(OCDU)。MB91580采用144引脚QFP封装,工作温度为-40℃至+125℃。

软件方面,大家其实都比较清楚了,我就一笔带过,下面的都可以做参考,Softune Workbench IDE、C-编译器、汇编器、连接器、MB-E嵌入式调试器、电机控制入门套件SK--MC等进行HEV/EV电机控制系统的开发。

三、瑞萨RH850

瑞萨RH850 MCU满足了汽车行业中各个部分不断变化的主要市场趋势,其中包括从ASILA到ASILD等级的功能性安全要求、集成了信息安全功能以及为实现绿色环保(如减少二氧化碳排放量)而设计的超低功耗。其中RH850C1X系列是针对于混合动力动汽车电机控制(HEV)和电动汽车(EV)等用于汽车电机控制的系列,它继承了瑞萨性能MCU SH72A0和SH72AW系列在电机控制方面的优势,并采用了瑞萨新的40nm Flash工艺和先进的IP核。RH850C1X将会为瑞萨MCU在汽车电机控制领域带来新的解决方案,并成为新的主角。

集成大容量内部存储空间

RH850 C1X系列MCU主频为240MHz,并配置了带有锁步功能的双核系统,Code Flash容量可以支持到4MByte,适用于复杂的控制系统。RH850C1X系列核心优势是内置了旋转变压器/数字转换器(RDC)和增强型电机控制单元EMU,硬件功能安全和诊断功能支持ISO26262。通过与Tamagawa Seiki合作,采用RDC的TAMAGAWA的前线技术,使RDC作为重要的IP核内置到RH850 C1X芯片中,可以把电机运转时角度传感器产生的复杂模拟信号转换成为数字信号,从而降低了系统的成本。

RH850 C1X的采用了电机控制IP理念,主要是指ADC和RDC以及PWM定时器协同工作。通过CPU计算数据, 将参数设置到寄存器控制PWM输出。 安装了具有矢量控制的电流回路,进行PWM控制。 可以输出这种方波以实现对于HEV和EV的高速旋转控制,同时可以通过修改参数调整PWM输出。其控制模型如下图:

图:RH850C1X控制模型

多样化的安全功能支持

为了满足现代汽车越来越严格的安全标准,RH850/C1X微控制器在主CPU中采用Lockstep模式,即在两个处理器中进行相同的处理,同时监测运行结果的差异从而极大保证了系统运行结果的正确性,同时RH850/C1X还利用ECC功能,实现对存储数据的检验和校正。此外,微控制器内部还集成了ECM功能模块,可以对于监测到的错误产生中断或者内部复位信号,实现对错误的管理。相比于使用外部R/D转换器,RH850/C1X内部集成的R/D转换器可以更好的实现诊断监测功能,因为使用内部集成R/D转换器,可以让研发人员更快更加高效的检测到非正常操作,并及时降低错误的不利影响。

四、英恒科技EMK电机开发套件

EMK硬件上主要使用英飞凌汽车级32位微控制器TC1782芯片(基于TriCore处理器架构)和英飞凌汽车级IGBT功率驱动模块和功率驱动芯片;软件上主要参考AUTOSAR分层软件架构和使用ETAS软件工具链进行开发。

EMK控制器通过检测PMSM电机的旋转变压器反馈信号获取电机转子位置信息,通过电流传感器获取电机三相电流,通过PWM输出控制电机运行。控制器通过CAN接口接收外部控制信号,并反馈当前运行状态信息,此外控制器还配有独立的CAN接口用于诊断、标定等功能。 控制器可根据外部控制指令实现电机的四象限运行控制,并可根据控制需要切换转速、转矩两种闭环控制模式; 具备过压、过流等故障检测与处理功能。

外部接口包含信号接口、动力接口和水冷接口。其中信号接口采用TE的35pin汽车级接插件,包含电机控制所需要的电源、CANBUS通讯、电机旋变、电机温度、水温等信号;母线和三相动力接口采用专用的Amphenol快速接头,无需工具即可实现连接操作,防护等级可达到IP65;控制器底部配有优化的水冷设计,配有通用的连接接头,实现即插即用。

箱体内部包含控制单元、功率驱动单元、母排、DC-link电容等。其中控制单元主芯片采用英飞凌的32-bit Tricore汽车级单片机,可匹配不同类型的旋变, 另外还可通过ETK S4.2C高速测量组件对相关重要参数信号进行高速测量及配合XCP标定;功率模块采用英飞凌的汽车级HybridPack1 IGBT模块,驱动电路经过多次、多方的设计改进和验证,已实现母线电压430V、电流变化率3500A/μs的工况下内部短路的有效保护,并通过双脉冲测试得到了验证;台架测试中电机转速实现了8000转、功率达到了40KW;母排经过结构优化设计,减少了寄生电感产生的关断尖峰电压。有效的避免了IGBT的过压失效;EMK控制器已通过了相关的汽车产品的电气可靠性、EMC、振动、高低温等测试。

EMK控制器软件在软件架构上主要有两部分组成:基础软件层和算法应用层,如下图所示:

基础软件层参考AUTOSAR软件架构进行开发,主要包括:

●驱动层:主要为TC1782主控芯片驱动程序,包括ADC,PWM等芯片模块的驱动。

●抽象层:主要为复杂驱动,控制AD2S12xx旋变驱动和ABZ光电编码传感器驱动。

●服务层:主要含基于ETAS RTA-OSEK的操作系统、WDT看门狗控制,NVM存储器读写服务,和COM信号转换、DCM诊断通讯、XCP on CAN/ETK的通讯服务。

算法应用层主要基于ETAS ASCET进行开发、仿真和代码生成,主要包含

●建模和仿真:通过ETAS的ASCET-MD工具,进行FOC算法建模和算法仿真。

●自动代码生成:通过ETAS的ASCET-SE工具,实现自动软件代码的生成。

软件特点:

1:实时OSEK操作系统:新能源汽车控制策略是一个典型的多任务实时系统。为了提高软件可靠性,同时在任务调度方面达到条理清晰且划分明确,EMK控制器采用了汽车电子专用OSEK实时操作系统RTA-OSEK,在满足电机控制系统实时性需求的同时,也保证了电机任务调度的质量。RTA-OSEK配置界面如下图所示:

RTA-OSEK配置界面

XCP标定和测量:

电机控制器的开发调试与电机本体参数(比如电机电感与永磁体磁链)、硬件参数(比如电流传感器)、机械电参数(比如旋变零点)、MTPA与弱磁参数以及电流环PI参数等众多参数有关。为了调试的便捷,EMK控制器软件采用XCP On CAN/ETK的标定技术,基于INCA 7.x实现了测量和标定的功能,使得用户能够在PC界面上,对多达近千个电机控制参数进行标定,使之能适应大多数PMSM电机。同时通过XCP测量技术,能够在电机运行的同时即获取控制软件内部数据变量的数值,便于用户调试。基于INCA的XCP标定与测量工具界面如图3所示:

基于INCA的XCP标定与测量界面

ASCET建模、仿真和自动代码生成:EMK

控制器应用层算法涵盖变PWM载波频率、电流环解耦、各种不同负载下的参数辨识、死区补偿、自适应性的弱磁控制算法、故障辨识和处理等内容,其开发均是基于ETAS的ECU软件开发平台ASCET。ASCET是一个规范的汽车用ECU软件开发环境,包含ASCET-MD(建模与仿真)、ASCET-RP(快速原型)与ASCET-SE-ECU(代码生成)三个部分。ASCET产品系列可实现基于模型的应用软件开发,并根据这些模型自动生成代码。从使用框图和状态机进行应用软件产品的初始设计到MCU目标的代码自动生成,ASCET产品专门开发用于满足汽车行业对于嵌入式软件实时性、效率和安全性等方面的特殊要求,ASCET开发的软件已被广泛用于近7000万个电子控制单元中,相比较Matlab/Simulink来说更具针对性和高效安全。图4为基于ASCET开发的FOC电机控制算法仿真界面。

FOC电机控制ASCET仿真

随着HEV/EV市场的不断发展,为汽车系统供应商和汽车制造商够提供更智能、更小型与更节约成本的解决方案成为HEV/EV市场的关键。随着该市场迅速扩张,电机控制高度集成化的解决方案成为电动车辆增长的核心所在。终,以较低的价格向顾客提供高性能的系统才是推动该市场向更成功迈进的真正动力。

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