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德州仪器更小更智能的电机控制器推进HEV/EV市场

本文作者：德州仪器点击： 2016-09-08 15:30

前言：

作者：Amanda Weise，德州仪器模拟半导体混合信号车载产品部产品市场工程师

应用领域：汽车行业

关键词：汽车行业、汽车、HEV、EV、电机驱动、电机控制、ECU、扭矩控制、信号链、模拟

电机驱动控制的集成与设备智能技术为电动与混合动力车辆提供节省空间和成本的解决方案。

摘要

随着混合动力车辆/电动车辆（HEV/EV）市场不断扩大，人们对于更高效和智能的电机位置控制的需求也变得更为关键。今天，原始设备制造商（OEMs）比以往任何时候都更专注于如何增强电机的能力（例如：扭矩控制），同时通过诊断维持高度的系统可见性，以此保证时刻知晓系统的健康状况。为了达到这些目标，电机位置控制的高度集成解决方案，尤其是电机效率和扭矩控制的解决方案变得至关重要。

前言

随着世界范围的人们对更高能源效率的交通方式的需求增加，HEV/EVs将首当其冲，成为人们的首要选择的交通方式。为了更好的了解电动与混合动力车辆市场的潜力与发展情况，我们不可避免的要知道在本文中提到的是什么类型的车辆。在Strategy Analytics[1]的报告中：“2007年到2021年混合动力车辆系统的需求预测，”将HEV/EV分为四类：

1. 轻度混合动力
2. 完全混合动力
3. 插电式混合动力
4. 纯电动

这些分类的每一种均考虑车辆电机的功率以及电机在系统中准确负责的任务。例如，在上述报告中，Strategy Analytics将轻度混合动力车辆归到电机功率小于20kW的那一类。此种电机用于配合内燃发动机的刹车恢复和扭矩辅助功能。一旦你理解了轻度混合动力与纯电动的权衡，就更容易理解电机位置传感器在该领域的总体有效市场。表1列出了Strategy Analytic报告中定义的系统分类，这些会贯穿全文。

系统	系统定义	系统组成
轻度混合动力系统	任何装备一个功率小于20W、为车辆提供刹车恢复和扭矩辅助功能的电机，并与内燃发动机相连接的系统。	混合动力系统电子控制单元（ECUs）（包括电机与电池控制器）、配线/电缆、传感器、DC/DC转换器、电池组、其他存储设备。
完全混合动力系统	任何装备一个或多个功率大于20W、为车辆提供刹车恢复和推进功率功能的电机，并与内燃发动机相连接的系统。	混合动力系统电子控制单元（ECUs）（包括电机与电池控制器）、配线/电缆、传感器、DC/DC转换器、电池组、其他存储设备。
插电式混合动力系统	任何装备一个或多个为车辆提供刹车恢复和推进功率功能的电机，并与内燃发动机相连接的系统。装备一个更大的插电式可充电蓄电池组，用来提高纯电动驾驶的使用率。	混合动力系统电子控制单元（ECUs）（包括电机与电池控制器）、配线/电缆、传感器、DC/DC转换器、电池组、其他存储设备。
纯电动系统	任何装备仅由电池供电的电机，用来给车辆提供推动力的系统。	电动车辆系统电子控制单元（ECUs）(包括电机与电池控制器)、配线、传感器、DC/DC转换器、电机、电池、其他存储设备。

表1：Strategy Analytics使用的电动车辆的不同分类。
由Strategy Analytics提供的表格[1]

既然我们已经了解正讨论的车辆类型，那就深入研究市场，以此来更好得了解正在投资HEV/EV车辆的汽车制造商的潜在目标市场。

如表1所示，每部车辆都可能搭载1到4个电机。（搭载4个电机是出于每个轮胎都需要一台电机）。每台使用的电机都将需要搭配合适的系统，以安全高效地驱动与控制这些电机。这些系统需要具备控制可见性和粒度，以实现合适的扭矩与电机控制。牢记电机与其控制系统需要的知识，表2（同样来自Strategy Analytics的报告）给2015-2021期间市场上的每种类型车辆的数量一个估计值

(K-units)	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	复合增长率（CAGR） (2015-2021)
轻度混合动力系统	1,344	2,091	2,767	3,396	3,974	4,574	5,136	13.70%
完全混合动力系统	2,277	2,597	2,734	2,887	2,922	2,951	3,020	2.20%
插电式混合动力系统	352	755	1,086	1,518	2,007	2,374	2,871	21.00%
纯电动系统	322	419	540	648	756	858	959	12.60%
总计	4,295	5,861	7,127	8,450	9,658	10,758	11,987	10.80%

表2：Strategy Analytics使用的每种类型车辆的数量
由Strategy Analytics提供的表格[1]

表2显示出HEV/EV市场的稳定增长以及汽车市场对电动解决方案的兴趣。随着需求的增加，原始设备制造商将继续寻找提升这些车辆性能，并同时增加使用内置诊断、保护和监控设备增加系统自诊断容易性的方法。

为了了解这一新兴且发展迅猛的市场，了解该领域的汽车制造商所关注的主要驱动因素是至关重要的。首先是使这些车辆能够为他们的电机驱动器（逆变器）提供精确精准的电机控制非常重要。其次是为什么系统在设备层面的集成对为HEV/EV提供更小、更智能和更有效的解决方案非常关键。

精确精准的电机控制

对于任何车辆，不管电动与否，电机是驱动车辆前进的动力系统的中心部件。特别是电动车辆，需要电机的位置信息，包括角度和速度数据，以保证电机控制系统能够高效精确地工作。由逆变器收集的数据被积极用来控制和监控每个电机相中的电流情况。控制和调节电机电流的过程就是用来为电机创造扭矩的过程。电动车辆的扭矩控制对客户和汽车制造商均至关重要。扭矩至关重要的主要领域包括：

1. 在以低速启动电机和爬坡时需要高扭矩
2. 扭矩控制保证车辆高速度巡航时的高功率
3. 加速时的快速的扭矩响应要求精确的电机控制
4. 精确的电机和扭矩控制实现回馈制动需要的高频率

控制和理解电机中的扭矩使车辆可以为驾驶者向车轮提供更顺滑的动力。准确地了解电机位置是保证合适扭矩控制的关键。通过了解电机轴的准确定位以及搭载可以根据电机数据做出决策的智能系统，电动车辆的控制系统能够精确地计算出驾驶者需要的扭矩。控制越精确，用户在处理所列的任意一种情况时将获得更好的体验。

电动和混合动力车辆使用的电机控制系统的简单结构，见图1。预想该系统如何工作的，您可以想象一下作为驾驶员您在驾驶的时候决定改变速度的场景。当你使发动机/电机控制单元（逆变器）加速（或减速）时，车辆的电池提供驱动电机运行的动力。然后，位置感测器（旋转变压器）会读取电机的角度信息并将其转化成逆变器系统的微控制器可操作的格式。该数据一旦传输到微控制器，电机控制系统就可以增加或降低电机扭矩。这些速度的增加或降低以同样的方式被处理，而且合适的扭矩会根据用户的原始输入传递到系统。

图1：电动机控制单元与位置感测器装备地点

集成

了解了电机控制在HEV/EV驱动系统中的重要性后，我们现在可以调查多种当今市场上用来增强控制车辆扭矩系统的方法。

电机控制系统的中心部件是一个逆变器电路板。该部件用来向微控制器、电机驱动器和用来读取和操作收集到的电机信息的传感器接口提供动力。为了能够做到这一点，在车辆的引擎盖下靠近电机的地方为系统装备该电子产品。该电路板的位置给混合动力和电动车辆制造商带来一对挑战。

由于每辆车的引擎盖下方的空间已然很有限，因此保证一个方案具有小型化的结构与封装是至关重要的。为了实现更小的解决方案，电子元件供应商正专注于如何在一个封装板内集成更多的功能甚至更多的器件。现在正引入市场的汽车器件集成一部分实现系统功能所需的元件在一个芯片上（例如信号链、通信或电源）。然后将集成的芯片组合起来用于降低电路板上用来控制电机的元件的数量。

通过在一个封装板中集成更多的功能和器件，混合动力和电动车辆制造商可以缩小逆变器系统的整体板子尺寸以及省去一些不再需要的电子元件的成本。更小和更具成本效率的电子元件层面的解决方案给予原始设备制造商们有利优势，使其不必再为顾客增加成本。

随着市场趋向于集成化，另一个解决的因素是系统的整体智能和连接性。这到底意味着什么？当车辆内部的各模块变得更加复杂时，进行系统诊断和健康检查是有必要的，以确保他们正常工作。对于HEV/EV电机控制系统，做这些类型的检查将会使电机、驱动电路以及位置感测器的健康状况成为已知变量，而系统的运行依靠这些变量。凭借电机系统内部的可见性，如果误差或问题发生，对驱动的评估将更智能与更迅速。更智能的电机控制可以报告控制系统的状态并采取行动。这样的电机控制系统是HEV/EV市场成功的必要条件。

总结

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是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。最终，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。

这些 HEV/EV解决方案包括：PGA411-Q1旋转变压器接口和C2000™微控制器。您可以在TI的网站上了解更多关于TI HEV/EV解决方案的信息。

参考文献

1. Mak, K. (2014).混合动力车辆系统需求预测2007-2021数据文档。Strategy Analytics。
2. Singh, B., Jain.P., Mittal.A.P., Gupta.J.R.P (2006)。直接扭矩控制：一种实用的电动车解决方案.IEEE, TI虚拟库。
3. Tashakori, A., Ektesabi, M. (2012) 电动车辆的直接扭矩控制驱动系统。世界工程大会记录文件 2012 Vol II。

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