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  • 电子产品世界
  • 2022年9月23日10时

    专家博文:电机控制在电动汽车(EV)中的使用趋势

    电机在 EV 中的使用日益增多,因此对电机控制 MCU 的需求也随之增加。下面我们将介绍这一趋势的形成原因,以及 Microchip 面向汽车和 EV BLDC 电机控制的 dsPIC33C 数字信号控制器(DSC)。


    电动汽车元器件市场


    近年来,电动汽车(EV)行业发展迅猛。全球 EV 销量已达 670 万辆。展望 2030 年,全球 EV 销量有望达到 4780 万辆,在新乘用车销量中的占比将达到 50% 左右。2021 年,中国 EV 销量为 333 万辆,预计在 2022 年将超过 600 万辆。

    出于以下几个原因,EV 对电动机的需求高于传统汽车。EV 需要取代所有皮带或曲柄/凸轮轴驱动的配件,如泵、压缩机和执行器。此外,还需要采用能够适配各种新系统(如电子控制冷却剂泵)的电机。虽然可以使用成本较低的有刷直流(BDC)电机,但无刷直流(BLDC)电机具有对 EV 特别重要的关键优势:

    能源效率更高


    使用正弦波控制,运行更安静


    可靠性更高,电机寿命更长


    以汽车电子水泵为例,EV 比传统内燃机汽车更需要电动机。一辆 EV 需要对三个新系统进行温度控制:高压电池组、牵引电机和牵引电机逆变器电子控制板。每辆 EV 平均需要三个电子水泵,而电子水泵的成本比传统的皮带驱动型机械泵更高。


    电动汽车中的冷却风扇


    另一个示例是汽车中的冷却风扇。传统燃油汽车通常为前置散热器提供一个 BLDC 发动机冷却风扇,但一些发动机较大的车型会配备两个。EV 最多需要配备三个散热器风扇。虽然没有发动机需要冷却,但这些风扇有助于冷却高压电池组和牵引电机逆变器电子控制板。在 EV 熄火后或在为其高压电池组充电时,仍然可以听到这些风扇在继续运行。

    在 EV HVAC 系统中,还可以使用额外的 BLDC 电机。传统燃油汽车使用发动机皮带驱动 HVAC 压缩机,但 EV 需要使用电动机来直接驱动压缩机。HVAC 系统还需要使用由 BLDC 电机驱动的风扇来实现空气循环流动。


    电动汽车中的热泵


    此外,大多数现代电动压缩机的结构都支持热泵的功能(增加一台 BLDC 电机), 一些 EV 也配备一个热泵。热泵系统包含电磁膨胀阀和用于热交换的制冷剂管道,其 工作原理与空调的反向模式类似。热泵系统的优点是,工作效率可以达到阻性元件 正温度系数(PTC)加热器的 3 到 4 倍。然而,热泵仅在温度高于-20°C 的环境下表 现良好。

    PTC 加热器也常用于 EV 驾驶室加热,在任何温度下都能正常工作。虽然在将电能转化为热能方面,PTC 加热器的效率几乎是百分之百,但其最大的缺点是会消耗大量的电量。在寒冷的环境中,使用 PTC 加热器会更加耗电,EV 需要更加频繁地给电池充电,而且每次充满电后的行驶里程也会大幅缩减。

    热管理系统(TMS)是 EV 的新趋势。TMS 可以合并和协调 HVAC 系统(包括加 热和冷却压缩机、空气循环风扇、膨胀阀和执行器)的控制与高压电池组和牵引电机逆变器板的温度控制(包括热回收和再利用)。TMS 可以显著提高 EV 的整体功能,其市场潜力非常可观。这种复杂的控制系统还需要符合 ISO26262 功能安全标准和 AUTOSAR规范的要求。

    总之,BLDC 电机在 EV 中的使用日益普遍,因此对电机控制 MCU 的需求也不断增加。众所周知,EV 对半导体的要求非常高,其中包括电机控制 MCU。以下是一些基本要求:

    高 CPU 时钟频率


    电机控制专用外设


    AEC Q100 0 级认证(-40°C 至+150°C)


    符合功能安全标准和 AUTOSAR 规范的要求


    面向电机控制的 dsPIC33CK 数字信号控制器(DSC)


    Microchip 的 dsPIC33CK 数字信号控制器(DSC)专为电机控制而设计。它们具 有独特的混合内核(MCU 和 DSP 元件),支持高效的 DSP 指令执行,而无需承担 DSP 芯片的高成本。DSC 集成了内部高精度 RC 振荡器和许多高性能模拟外设,包括具有 10.5 ENOB 的 12 位 ADC(3.5 Msps)、快速的 15 ns 模拟比较器以及用于参考电压和高精度运算放大器的 12 位 DAC。这些外设可减少客户电机控制板上的外部元件,从而节省空间和成本。

    dsPIC DSC 的工作温度范围宽达-40°C 至+150°C。此外,其获得了 AEC Q-100 0 级汽车认证,因此非常适用于汽车和工业电机控制应用。其设计中包含许多安全特性,如 DMT、WWDT 和闪存 OTP 等,可提高功能安全性。结合 Microchip 的功能安全手册、FMEDA 报告和动态诊断代码,dsPIC33CK DSC 可以帮助客户简化获得 ISO 26262 功能安全认证的过程。

    此外,Microchip 还提供十分全面的电机控制硬件开发工具和软件算法支持生态系统。例如,借助名为 motorBench开发套件的免费软件图形用户界面(GUI),几分钟内即可使用磁场定向控制(FOC)算法启动和运行 BLDC 电机。另一款免费工具名为 X2C-Scope,这是一个电子示波器,可十分方便地在 PC 上调试电机操作或任何应用程序代码。


    面向电机控制的 dsPIC33CH 双核 DSC


    Microchip 的 dsPIC33CH 双核 DSC 非常适合用于将多个 BLDC 电机驱动的水泵和/或冷却风扇的控制装置合并为一个控制器,从而节省成本和空间。这类 DSC 有两个独立的内核,每个内核的运行频率最高达 100 MHz,配备的电机控制外设能够满足两到三个 BLDC 电机的需求。

    深入了解 dsPIC DSC 和电机控制及驱动,以获得有关 Microchip 电机控制解决方案的更多信息。

    作者:Helen Jin/Patrick Heath BLDC

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