Verringerung der Reichweitenangst und Verbesserung der Sicherheit durch integrierte feldorientierte Motorregelung und fortschrittliche Sensoren

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Konstrukteure von Elektrofahrzeugen (EF) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEF) (oft auch als xEF bezeichnet) stehen unter dem ständigen Druck, mehr Kilometer pro Ladung zu erreichen, um die Reichweitenangst zu verringern und die CO2-Bilanz des Fahrzeugs zu verbessern. Gleichzeitig müssen sie mehr Motoren, Sensoren, zugehörige Elektronik, Prozessoren und Software hinzufügen, um ein höheres Maß an Fahrzeugautonomie, Benutzerfunktionen und Sicherheit zu erreichen und gleichzeitig die Kosten zu senken.

Motoren für Türen, Fenster, Batterielüfter, Kühlerlüfter und Pumpen sowie andere Funktionen sind ein besonders heikles Thema, da sie nicht nur zusätzliches Gewicht mit sich bringen, sondern auch fortschrittliche Steueralgorithmen wie die feldorientierte Regelung (field-oriented control, FOC) erfordern, um Geräuschentwicklung und Stromverbrauch zu minimieren und gleichzeitig eine störungfreie Reaktion zu gewährleisten. Die Gesamtaufgabe der Systementwicklung wird dadurch erschwert, dass auch die Anforderungen der ISO 26262 für funktionale Sicherheit und die AEC-Q100-Qualitätsstandards erfüllt werden müssen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler auf eine Vielzahl von für den Automobilbereich qualifizierten Komponenten zurückgreifen, die ein höheres Maß an Hard- und Software bieten, das Design und die Integration verschiedener Funktionen vereinfachen und gleichzeitig die Anzahl der Teile und den Gesamtplatzbedarf reduzieren.

In diesem Artikel werden die Probleme erörtert, mit denen die Konstrukteure von EFs und HEFs konfrontiert sind. Anschließend wird gezeigt, wie eine hochintegrierte feldorientierte Regelung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) und ein zugehöriges Evaluierungsboard zu einem schnellen Einstieg ins effiziente EF/HEF-Motordesign verhelfen können. Darüber hinaus werden verschiedene Sensoren zur Überwachung von Strom, 3D-Position, Geschwindigkeit und Richtung vorgestellt, die alle aus einer Hand kommen, nämlich von Allegro MicroSystems.

Die Kosten-, Sicherheits- und Reichweitenprobleme von E-Fahrzeugen

Konstrukteure von xEFs müssen sich mit vielen Problemen auseinandersetzen, darunter Fahrzeugkosten, Sicherheit und Zuverlässigkeit - insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Autonomie der Fahrzeuge, die Reichweite pro Ladung (Reichweitenangst) und die Lebensdauer der Batterien.

Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, werden fortschrittliche Sensoren benötigt, die den Anforderungen der in der ISO-Norm 26262 definierten Funktionen erweiterter Fahrerassistenzsysteme (advanced driver assistance systems, ADAS) entsprechen. Aus Kosten- und Reichweitengründen haben sich die Entwickler für höhere Spannungsschienen von bis zu 800 Volt entschieden, um einen höheren Wirkungsgrad und ein geringeres Kabelgewicht zu erzielen und gleichzeitig von den Verbesserungen bei der Entwicklung von Akkupacks zu profitieren.

So hat beispielsweise ein besseres Wärmemanagement der Batterien zu einer größeren Reichweite und einer längeren Lebensdauer der Batterien beigetragen, während eine verbesserte Kühlung von EF- und HEF-Antriebsumrichtern zu einer höheren Leistungs- und Energiedichte und einer Gewichtsreduzierung beiträgt.

Während eine höhere Integration von Halbleiterbauelementen eine größere Funktionalität bei geringerem Gewicht und Platzbedarf ermöglicht, müssen die für die erforderlichen Kühllüfter benötigten BLDC-Motoren zur Optimierung des Wirkungsgrads genauestens gesteuert werden. Um dies zu erreichen, ist es sinnvoll, fortschrittliche Motorsteuersalgorithmen wie die FOC in den Gate-Treiber der Motorsteuerung einzubinden.

Leistungsstarke Kühlung

FOC ermöglicht den reibungslosen Betrieb von Elektromotoren über den gesamten Drehzahlbereich und kann beim Anfahren das volle Drehmoment erzeugen. Darüber hinaus kann FOC eine schnelle und sanfte Motorbeschleunigung und -verzögerung liefern, eine Funktion, die für eine präzise Steuerung in Hochleistungsbewegungsanwendungen nützlich ist. FOC kann zur Entwicklung von hocheffizienten, kompakten und leisen Niederspannungstreibern (50 Volt DC und niedriger) für eine Reihe von leistungsstarken BLDC-Motoren bis 500 Watt eingesetzt werden. Diese werden typischerweise in Kühlgebläsen für Hochvoltbatterien von Elektrofahrzeugen sowie in Gebläsen für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) und Flüssigkeitspumpen für die Kühlung von Hochvolt-Antriebsumrichtern genutzt (Abbildung 1).

Diagramm: Feldorientierte Motorsteuerung kann Niedervolt-Batteriestrom verwenden (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 1: Feldorientierte Motorsteuerungen können den Strom aus der Niedervoltbatterie zur Kühlung von xEF-Hochvoltbatterien und Hochvolt-Antriebsumrichtern nutzen. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

In konventionellen Designs wird die FOC mit externen Sensoren und einem Mikrocontroller implementiert. Diese als direkte FOC bezeichneten Konstruktionen können sehr komplex sein und weisen in der Regel eine geringere Dynamik auf, da sie auf externe Sensoren zur Messung der Betriebsparameter des Motors angewiesen sind.

FOC mit verbesserter Leistung und geringeren Kosten ist durch den Wegfall der externen Sensoren möglich.

Die Informationen von den fehlenden Sensoren werden immer noch benötigt, um die FOC zu implementieren, und können aus den Spannungen und Strömen an den Motorklemmen und der gegenelektromotorischen Kraft in den Motorwicklungen extrahiert werden. Während die Hardware einfacher ist, erfordert die Implementierung der sensorlosen FOC eine komplexere Steuerungssoftware.

Ein Algorithmus für die sensorlose FOC kann die höchste Effizienz und Dynamik bei gleichzeitiger Minimierung des akustischen Rauschens ermöglichen. Er bietet auch eine robuste Anlaufsteuerung für den Fall, dass der Motor stillsteht und keine Informationen zur gegenelektromotorischen Kraft verfügbar sind.

Einfache FOC für Kühlerlüfter und Pumpen in Kraftfahrzeugen

Während Softwareentwickler für die meisten FOC-BLDC-Treiber einen Algorithmus schreiben und auf einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller portieren müssen, enthält der A89307KETSR-J von Allegro MicroSystems den Algorithmus für die sensorlose FOC direkt im Gate-Treiber. Mit nur fünf externen passiven Bauteilen (vier Kondensatoren und einem Widerstand) minimiert der A89307KETSR-J auch die Stückliste, verbessert die Zuverlässigkeit und reduziert die Designkomplexität (Abbildung 2).

Diagramm: Anwendungsschaltkreis A89307KETSR-J von Allegro für xEF-Batterielüfter (zum Vergrößern klicken)Abbildung 2: Ein typischer Anwendungsschaltkreis A89307KETSR-J für xEF-Batterielüfter demonstriert die fünf externen Komponenten: vier Kondensatoren und einen Widerstand. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Der Gate-Treiber A89307KETSR-J arbeitet mit einer Spannung von 5,5 bis 50 Volt DC. Der Algorithmus für die integrierte FOC umfasst ein konstantes Drehmoment und eine konstante Leistung sowie Betriebsarten mit offenem Regelkreis und konstanter Drehzahl. Der A89307KETSR-J verfügt über Eingänge für Pulsweitenmodulation (PWM) oder Taktmodus-Drehzahlregelung, Bremsen und Drehrichtung sowie über Ausgangssignale für Fehlerbedingungen und Motordrehzahl (Abbildung 3).

Abbildung: Blockdiagramm zum Innenaufbau des A89307KETSR-J von Allegro (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 3: Das Blockdiagramm zum Innenaufbau des A89307KETSR-J zeigt den FOC-Controller (Mitte), die PWM- oder Taktmodus-Drehzahlregelung (SPD), die Brems- (BRAKE) und Richtungseingänge (DIR) (links) sowie die Fehler- (FAULT) und Motordrehzahlausgänge (FG) (ebenfalls links). (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Der A89307KETSR-J ist für die Ansteuerung externer N-Kanal-Leistungs-MOSFETs mit niedrigem Widerstand optimiert. Er kann die großen Spitzenströme liefern, die zum schnellen Ein- und Ausschalten der MOSFETs zur Minimierung der Schaltverluste erforderlich sind, was die Betriebseffizienz verbessert und die Probleme beim Wärmemanagement verringert. Es sind mehrere Gate-Treiberstufen verfügbar, die es den Entwicklern ermöglichen, den Kompromiss zwischen elektromagnetischen Störungen (electromagnetic interference, EMI) und Effizienz zu optimieren. Ein schnelles Einschalten der MOSFETs verringert die Schaltverluste, erhöht aber die EMI, während ein langsameres Einschalten der MOSFETs die EMI verringert, was jedoch mit erhöhten Schaltverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad einhergeht.

Die Motordrehzahl kann über PWM-, Analog- oder CLOCK-Eingang gesteuert werden. Optional ist eine Drehzahlregelung mit einem programmierbaren Verhältnis von Umdrehungen pro Minute (U/min) zur Taktfrequenz möglich. Die sensorlose Anlaufsteuerung umfasst die Erkennung und Synchronisierung der Vorwärts- und Rückwärtsdrehung (Propeller), so dass der A89307KETSR-J über ein breites Spektrum von Motor- und Lastkonfigurationen betrieben werden kann.

Der rücklauffreie Anlaufalgorithmus von Allegro MicroSystems verbessert ebenfalls die Startleistung. Der Motor läuft nach dem Einschalten in der richtigen Richtung an, ohne dass er rückwärts schwingt oder rüttelt. Mit der Sanftan- und -auslauffunktion wird der Strom zum Motor mit dem Einschaltbefehl (Propellerzustand) allmählich erhöht und mit dem Ausschaltbefehl langsam reduziert, wodurch die akustischen Geräusche weiter verringert werden (Abbildung 4).

Abbildung: Stromkurven des A89307KETSR-J von AllegroAbbildung 4: Die Stromkurven des A89307KETSR-J für Sanftan- (oben) und Sanfauslauf (unten) führen zu einem gleichmäßigen Motorbetrieb und einer Verringerung der Geräuschentwicklung. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Der A89307KETSR-J verfügt über eine I2C-Schnittstelle zur Einstellung von Motornennstrom, -spannung, -drehzahl, -widerstand und -anlaufprofil. Über I2C werden auch die Ein-/Ausschalt- und Drehzahlregelung sowie Drehzahlrückmeldungen und Fehlersignale realisiert.

Evaluierungsboard für sensorlose FOC

Entwickler können das Evaluierungsboard APEK89307KET-01-T-DK und die zugehörige Software verwenden, um die Entwicklung von FOC-basierten BLDC-Motorantrieben mit dem A89307KETSR-J zu beschleunigen (Abbildung 5). Diese Platine enthält den A89307KETSR-J mit Zugriff auf alle Eins- und Ausgangspins sowie eine komplette dreiphasige Leistungsstufe für den Antrieb eines BLDC-Motors. Konstrukteure können die FOC-Antriebsparameter über eine einfache grafische Benutzeroberfläche (GUI) auswählen und in den chipintegrierten EEPROM laden. Der minimale Materialbedarf des A89307KETSR-J ermöglicht die Entwicklung von Antrieben, die in das Motorgehäuse passen, was die Größe der Lösung weiter reduziert.

Abbildung: Evaluierungsboard APEK89307KET-01-T-DK von AllegroAbbildung 5: Das Evaluierungsboard APEK89307KET-01-T-DK enthält den A89307KETSR-J (U1, Mitte links auf der Platine) und sechs Leistungs-MOSFETs (rechts) zur Ansteuerung eines BLDC-Motors. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Sensoren für erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS)

Um kompakte und kosteneffiziente ADAS-Funktionen zu implementieren, müssen Entwickler von xEF-Systemen die Strompegel in Motorantrieben, DC/DC-Wandlern und Wechselrichtern sowie die Drehpositionen von Drosselklappen und Zylindern und die Geschwindigkeit und Richtung der Zahnräder in Getrieben erfassen. Allegro MicroSystems bietet eine Vielzahl von Sensorlösungen für ADAS an:

Strommessung: Der ACS72981KLRATR-150B3 bietet Entwicklern eine wirtschaftliche und präzise AC- oder DC-Strommessung. Dieser hochpräzise lineare Hall-Effekt-Stromsensor bietet eine Bandbreite von 250 Kilohertz (kHz) und ist für den Einsatz in der Motorsteuerung, der DC/DC-Wandlersteuerung, der Wechselrichtersteuerung sowie der Lasterkennung und -verwaltung konzipiert. Es handelt sich um einen AEC-Q100-qualifizierten IC mit einer Reaktionszeit von <2 Mikrosekunden (µs), der die Anforderungen an eine schnelle Überstrom-Fehlererkennung in sicherheitskritischen Anwendungen erfüllt.

3D-Positionsmessung: Die berührungslose lineare und rotierende magnetische 3D-Positionsmessung für Drosselklappen-, Ventil-, Zylinder- und Getriebepositionen kann mit dem 3DMAG-IC A31315LOLATR-XY-S-SE-10 von Allegro MicroSystems schnell realisiert werden. Das Bauelement kann Drehbewegungen in der horizontalen und vertikalen Ebene sowie lineare Bewegungen von Seite zu Seite oder von vorne nach hinten messen (Abbildung 6).

Diagramm des 3D-Positionssensors A31315LOLATR-XY-S-SE-10 von AllegroAbbildung 6: Der 3D-Positionssensor A31315LOLATR-XY-S-SE-10 kann Drehbewegungen in der horizontalen und vertikalen Ebene sowie lineare Bewegungen von Seite zu Seite oder von vorne nach hinten messen. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Der Sensor A31315LOLATR-XY-S-SE-10 bietet Entwicklern die Wahl zwischen den Ausgangsformaten ratiometrisch analog, PWM oder SAE J2716 Single Edge Nibble Transmission (SENT). Er wurde entwickelt, um die ISO 26262 ASIL B (Single-Die, in einem SOIC-8-Gehäuse) und ASIL D (redundanter Dual-Die, in einem TSSOP-14-Gehäuse) in sicherheitsrelevanten Automobilsystemen zu erfüllen.

Geschwindigkeit und Richtung: Der ATS19520LSNBTN-RSWHPYU ist ein schwingungstoleranter Differential-Hall-Effekt-Drehzahl- und Richtungszahnradsensor, von dem Modelle für die Vorwärts- und Rückwärtserkennung erhältlich sind (Abbildung 7).

Diagramm: Variante „F“ des ATS19520 von AllegroAbbildung 7: Die dargestellte Variante „F“ des ATS19520 misst die Vorwärtsdrehung, wenn ein Zahnradzahn von Pin 1 zu Pin 3 übergeht (oben), und die Rückwärtsdrehung, wenn ein Zahnradzahn von Pin 3 zu Pin 1 übergeht (unten). Bei der Variante „R“ wird die Drehung in die entgegengesetzte Richtung gemessen. (Bildquelle: Allegro MicroSystems)

Der ISO 26262 ASIL B-zertifizierte Sensor verfügt über eine integrierte Diagnose und ist für den Einsatz in xEF-Antriebssträngen geeignet. Das dreipolige Single-in-Line-Gehäuse (SIP) enthält einen integrierten Back-Bias-Magneten zur Messung der Geschwindigkeit und Richtung rotierender eisenhaltiger Ziele sowie einen integrierten Kondensator zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Fazit:

BLDC-Motorantriebe mit integrierter sensorloser FOC sind in Kombination mit Stromsensoren, magnetischen Positionssensoren und Rotationssensoren Schlüsselkomponenten, die die Entwicklung effizienter und sicherer xEFs mit größeren Reichweiten und geringerer Kohlendioxidbilanz ermöglichen. Insbesondere der Einsatz von FOC-Motorantrieben ermöglicht die Konstruktion effizienterer und leiserer Kühlsysteme mit verbessertem dynamischen Verhalten für Batteriepacks und Antriebsumrichter. Kompakte, präzise und energieeffiziente Sensoren sind entscheidend für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, die den Anforderungen an die Zuverlässigkeit erweiterter Fahrerassistenzsysteme und die funktionale Sicherheit gemäß ISO 26262 entsprechen.

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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