快速發(fā)展的電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)行業(yè)正在發(fā)生翻天覆地的變化。雖然這些汽車的銷售情況仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于燃油汽車，但汽車制造商從他們的努力中已經(jīng)學(xué)到了許多。因此，汽車設(shè)計(jì)人員不能僅滿足于為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制元件。

汽車制造商正在行使他們的綜合購買力使新產(chǎn)品更符合他們的需求，與此同時(shí)，用于電子推進(jìn)系統(tǒng)的功率電子元件、微控制器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工具等方面也發(fā)生著巨大變化。

電動(dòng)汽車的發(fā)展

電動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)動(dòng)力，而具有雙功能(電動(dòng)發(fā)電機(jī))的電動(dòng)機(jī)還可以從各種新型汽車中恢復(fù)能量。除了人們熟知的豐田Prius混合動(dòng)力產(chǎn)品外，還有多家汽車制造商正在開發(fā)或提供插電式混合動(dòng)力、輕度混合動(dòng)力汽車甚至微混合動(dòng)力(沒有推進(jìn)力)和純電動(dòng)汽車(見表)。雖然每家制造商使用的術(shù)語可能稍有不同，但對大多數(shù)汽車制造商來說永磁同步電機(jī)(PMSM)是理想的選擇。

由于電機(jī)或電動(dòng)機(jī)是汽車推進(jìn)中的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的中心部件，所以汽車制造商和供應(yīng)商一直不斷地改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，并開發(fā)新的替代產(chǎn)品。從目前汽車發(fā)展趨勢看，至少兩條路可走，一條是采用全新的電機(jī)設(shè)計(jì)，另一條是使用人們更加熟悉的方法。

就熟悉的方法而言，由于作為實(shí)現(xiàn)高性能永磁電機(jī)的關(guān)鍵要素：釹磁鐵的成本在不斷上升，促使汽車制造商和他們的一級(jí)供應(yīng)商對交流電機(jī)設(shè)計(jì)特別是感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評估。

在底特律舉行的2011 SAE大會(huì)上，高效率電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和功率電子控制器的開發(fā)商與制造商UQM Technologies公司工程技術(shù)副總裁Jon Lutz介紹了永磁電機(jī)的替代方案。

由于成本幾乎翻了4倍，再考慮到永磁體電機(jī)中使用的釹磁鐵主要產(chǎn)于中國，以前曾被認(rèn)為可用性不高的感應(yīng)與繞線磁場設(shè)計(jì)得到了人們越來越多的關(guān)注，Lutz指出。

Lutz還認(rèn)為，正在開展的材料研究可以最大限度地減少特定電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和替代磁體材料所需的釹含量。包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在內(nèi)的功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步有望提高交流電機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的性能。

Protean Electric公司首席技術(shù)官Andy Watts認(rèn)為，從更加激進(jìn)的角度看，輪內(nèi)電機(jī)(IWM)可顯著改進(jìn)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車性能。該公司的Protean Drive就是用于汽車推進(jìn)的一款高度集成、三相、永磁直接驅(qū)動(dòng)解決方案。每個(gè)電機(jī)都有內(nèi)置的逆變器、控制電路和軟件(圖1)。
 

圖1：TT electronics公司定制的微型逆變器模塊，可提供Protean公司輪內(nèi)電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的集成式功率電子電路

Protean Electric公司在福特的F-150電池電動(dòng)汽車(BEV)中安裝了4個(gè)輪內(nèi)電機(jī)。每個(gè)輪內(nèi)電機(jī)大小為18英寸，工作在400V直流電壓，采用了集成逆變器技術(shù)的Protean Drive PD18，在每分鐘1300轉(zhuǎn)時(shí)可以提供300Nm以上的扭矩，峰值功率可達(dá)84kW，連續(xù)功率為54kW。

仿真電機(jī)控制

為使新車更早上市，并避免可能影響到生產(chǎn)、進(jìn)而引起質(zhì)量和可靠性問題的高代價(jià)開發(fā)錯(cuò)誤，仿真工具是每個(gè)汽車制造商和許多供應(yīng)商工具箱中的一個(gè)有機(jī)組成部分。隨著電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車復(fù)雜性的提高，不管下一代設(shè)計(jì)涉及到新電機(jī)、新元件還是系統(tǒng)級(jí)改進(jìn)，這些工具都是不可或缺的。

Ansys公司于2008年收購了Ansoft公司，因此可以提供新的仿真方法。目前人們對永磁電機(jī)的評估興趣仍是有增無減，Ansys公司先進(jìn)技術(shù)部門技術(shù)總監(jiān)Scott Stanton指出。

“我們的客戶正在研究給電器設(shè)備更詳細(xì)建模、然后給系統(tǒng)工程師提供這種詳細(xì)模型的方法。”Stanton表示。

以前的建模技術(shù)依賴于提供電機(jī)的電感和電阻等參數(shù)，對今天的仿真而言顯得太過粗略?，F(xiàn)在，Ansys工程師與客戶一起使用場解算器來了解機(jī)器的性能。

“他們使用Ansys電磁場解算器分析問題，表征機(jī)器行為，然后根據(jù)結(jié)果創(chuàng)建模型。”Stanton指出。使用新模型可以表征大部分電機(jī)特性(圖2)。

圖2：用于電機(jī)控制系統(tǒng)的Ansys Simplorer仿真工具包含基于物理的模型，可解決熱、磁、機(jī)械、電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)等諸多問題。

得到增強(qiáng)的系統(tǒng)分析能力是重新評估交流電機(jī)技術(shù)的一個(gè)有機(jī)組成部分。據(jù)Stanton透露，他有許多客戶正在研究替換永磁電機(jī)的可行性。

“自從六、七年前向客戶介紹永磁設(shè)計(jì)以來，他們就一直在使用永磁設(shè)計(jì)。”他指出，“現(xiàn)在他們突然來找我們，并表示，‘我們現(xiàn)在正在解決感應(yīng)電機(jī)問題，我們正在解決同步磁阻問題。’”

除了比較機(jī)器性能外，客戶還使用仿真工具為感應(yīng)機(jī)器建立新的控制策略，這要比控制永磁機(jī)器困難得多。

從Stanton與Ansys客戶合作過程中發(fā)現(xiàn)，功率半導(dǎo)體將繼續(xù)沿著人們熟悉的路徑發(fā)展。“IGBT將在很長時(shí)間內(nèi)成為半導(dǎo)體產(chǎn)品的首選。”他表示。不過，采用Ansys方法后，SiC和GaN當(dāng)然會(huì)聯(lián)合系統(tǒng)供應(yīng)商一起進(jìn)行評估，從而判斷這些新技術(shù)可能給混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車帶來的優(yōu)勢和問題。

新思公司(Synopsys)的Saber是一整套物理建模和仿真工具，汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商可以使用這些工具對牽引電機(jī)控制用功率電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化。“Saber工具可以幫助客戶分析和優(yōu)化獨(dú)立或集成進(jìn)完整系統(tǒng)的單個(gè)子系統(tǒng)。”新思Saber產(chǎn)品線業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)經(jīng)理Lee Johnson表示。

新思工程師期望SiC和GaN等新器件材料能應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)。“我們已經(jīng)發(fā)布了首批SiC器件型號(hào)，可以讓客戶開始理解這些新技術(shù)對他們的電機(jī)控制設(shè)計(jì)的影響。”Johnson透露。

雖然地球稀有磁體的高昂成本不斷鼓勵(lì)人們研究其它電機(jī)技術(shù)，但Johnson堅(jiān)持認(rèn)為還必須考慮其它多種成本，包括控制電路的復(fù)雜性、熱和電磁兼容(EMC)行為以及機(jī)器可靠性。“Saber仿真工具為客戶評估新的電機(jī)類型和控制策略提供了理想的平臺(tái)，客戶無需再使用硬件原型和物理測試裝置。”他表示。

基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)和MathWorks工具已被廣泛用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的牽引電機(jī)控制領(lǐng)域，用于生產(chǎn)計(jì)劃和快速原型創(chuàng)建。這些系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高是使用模型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要理由。

“我們發(fā)現(xiàn)人們廣泛使用可執(zhí)行模型來捕獲設(shè)計(jì)，使用仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)折衷，并在實(shí)現(xiàn)中使用自動(dòng)代碼生成功能。”MathWorks公司汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Wensi Jin指出。

MathWorks公司應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw相信，SimPowerSystem及其電力驅(qū)動(dòng)和功率電子元件模型的發(fā)展有助于簡化電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的開發(fā)。“針對設(shè)計(jì)折衷和控制器驗(yàn)證而使用庫模塊快速建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)仿真的能力被證實(shí)對電機(jī)控制器開發(fā)人員來說極具價(jià)值。”Fillyaw指出(圖3)。

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圖3：SimPowerSystem仿真模型顯示了在電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的數(shù)據(jù)流動(dòng)

系統(tǒng)復(fù)雜性的提高對嵌入式控制器的仿真和執(zhí)行所需的處理能力提出了更高的要求。因此Fillyaw看到電機(jī)控制開發(fā)人員對使用ASIC和FPGA越來越有興趣，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁﹫?zhí)行電機(jī)模型硬件在環(huán)(HIL)仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制器測試所需的處理帶寬。

“可以使用Simulink HDL編碼器從模型中產(chǎn)生硬件描述語言(HDL)代碼，而這些模型可以使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行仿真和綜合，然后在FPGA和ASIC上實(shí)現(xiàn)。”Fillyaw指出。

電動(dòng)汽車電機(jī)所需的運(yùn)算能力

最初電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中的電機(jī)控制依賴于專業(yè)技術(shù)以及大多數(shù)情況下傳統(tǒng)汽車MCU供應(yīng)商提供的產(chǎn)品。例如，作為領(lǐng)先的汽車MCU供應(yīng)商，瑞薩公司(Renesas)多年來一直致力于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，目前正在研發(fā)適合下一代系統(tǒng)使用的新型設(shè)計(jì)。

瑞薩公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Amrit Vivekanand已經(jīng)看到從第一代設(shè)計(jì)到第二代設(shè)計(jì)的顯著變化。“在第一代設(shè)計(jì)中，汽車制造商對成本不是那么在意。”Vivekanand表示。

雖然成本一直是個(gè)問題，但出貨數(shù)量可能很少，因此上市時(shí)間和創(chuàng)建環(huán)保形象更加重要。這些系統(tǒng)“并沒有針對電機(jī)控制或混合動(dòng)力汽車”應(yīng)用進(jìn)行過優(yōu)化，Vivekanand指出。

對于2016至2018這一時(shí)期的產(chǎn)品來說，重點(diǎn)將真正轉(zhuǎn)向更加大眾化的產(chǎn)品。這將使汽車制造商不禁要問上幾個(gè)與系統(tǒng)有關(guān)的問題。“如何降低成本？如何提高效率？如何減小電池尺寸？”Vivekanand問道，“如何盡可能高效地轉(zhuǎn)換能量？”

Vivekanand提示在第一代設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和第二代設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間策略有明顯改變。“第一代設(shè)計(jì)是全力保證安全地控制電機(jī)，這是設(shè)計(jì)師們的主要考慮因素，但現(xiàn)在首要因素變成了效率問題。”他指出?，F(xiàn)在，為了管理能量轉(zhuǎn)換效率和處理系統(tǒng)折衷，電機(jī)控制不得不做得特別復(fù)雜。

飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)可以向一級(jí)廠商和OEM的電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)提供微控制器技術(shù)。“目前為止，飛思卡爾和市場上的大多數(shù)公司一直在重復(fù)利用為底盤控制和傳動(dòng)系等其它應(yīng)用設(shè)計(jì)的微控制器。”飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器部門業(yè)務(wù)經(jīng)理Steven Rober透露。未來，飛思卡爾計(jì)劃采用更加完整的系統(tǒng)方法。

飛思卡爾的下一代55nm微控制器有望集成源自底盤控制器件的定制電機(jī)控制外設(shè)。這些底盤控制器件能夠驅(qū)動(dòng)帶電流測量與控制功能的三相電機(jī)，并將這些功能與高吞吐量微處理器和大內(nèi)存?zhèn)鲃?dòng)系結(jié)合在一起。Rober希望這些改變可以通過改進(jìn)控制信號(hào)來提高系統(tǒng)的可控性，并允許更高復(fù)雜度的電機(jī)控制算法，進(jìn)而降低成本。

Rober預(yù)測，許多低端至中端汽車設(shè)計(jì)將采用電子控制系統(tǒng)來控制IC引擎和牽引電機(jī)。“我們新的55nm微控制器集內(nèi)存、吞吐量和控制外設(shè)于一身，非常適合這些汽車設(shè)計(jì)使用。”他指出。

德州儀器(TI)發(fā)現(xiàn)最近推出的雙子系統(tǒng)C2000 Concerto微控制器可在混合動(dòng)力汽車以及其它非汽車應(yīng)用中發(fā)揮重要使用。該系列微控制器整合了C28x內(nèi)核和ARM Cortex-M3內(nèi)核，是實(shí)時(shí)控制和連接的理想之選。

“C2000在汽車控制和數(shù)字電機(jī)控制中總是扮演著重要角色。”TI公司C2000 MCUU營銷經(jīng)理Michael Wei表示，“鑒于我們擁有的能力，我們的價(jià)值在交流感應(yīng)設(shè)計(jì)得到了真正體現(xiàn)。”

根據(jù)為汽車系統(tǒng)開發(fā)的ISO 26262功能性安全標(biāo)準(zhǔn)，TI公司認(rèn)為未來電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車電機(jī)控制中的一大變化是更加全面的安全要求。

“TMS470M可以與起牽引電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)作用的C2000實(shí)現(xiàn)完美配合。”TI公司安全MCU部門營銷經(jīng)理Anthony Vaughan表示。

在這種架構(gòu)中，TMS470M提供安全功能。有位用戶的前代系統(tǒng)使用C2000實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。針對下一代系統(tǒng)，這位用戶將增加TMS470M。“例如，所有閃存都有ECC(糾錯(cuò)碼)保護(hù)功能，因此它能檢測單個(gè)比特錯(cuò)誤，并實(shí)時(shí)進(jìn)行糾正。”據(jù)Vaughan介紹。

傳動(dòng)系所用產(chǎn)品的供應(yīng)商完全可以增加混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車用的電機(jī)控制產(chǎn)品。例如，Microsemi公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Minal Sawent指出，Microsemi公司已經(jīng)從最近收購Actel中獲得經(jīng)AEC Q100認(rèn)證的、為傳動(dòng)系應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

最新的SmartFusion產(chǎn)品包含了一款集成有硬ARM Cortex-M3和可編程模擬技術(shù)的FPGA。電機(jī)控制開發(fā)套件有助于用戶演示該產(chǎn)品在電機(jī)控制應(yīng)用方面的性能。雖然這些產(chǎn)品目前還沒有獲得汽車行業(yè)認(rèn)證，但這種認(rèn)證已經(jīng)成為Microsemi公司今后的追求目標(biāo)。

圖4：英飛凌電機(jī)控制模塊圖定義了電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中關(guān)鍵高層元件間的關(guān)系

實(shí)際功率

逆變器中的功率半導(dǎo)體器件直接連接電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車中的永磁、感應(yīng)或其它電機(jī)。逆變器獲取電池中的直流能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換為運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)所需的交流能量。

“提高逆變器效率對電池尺寸有直接影響。”英飛凌科技公司(Infineon)混合與電動(dòng)汽車技術(shù)部門營銷經(jīng)理Carl Bonfiglio指出。

Bonfiglio發(fā)現(xiàn)，汽車制造商對更高功率電平的要求已經(jīng)達(dá)到頂峰。“我們不認(rèn)為他們能繼續(xù)提高逆變器的輸出功率，因此現(xiàn)在的目標(biāo)是縮小逆變器尺寸。”他表示。

在加州阿納海姆市舉行的SAE2011混合動(dòng)力汽車討論會(huì)暨電動(dòng)汽車討論會(huì)的演講中，英飛凌公司汽車事業(yè)部總裁Jochen Hanebeck介紹了在未來電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域中 功率半導(dǎo)體技術(shù)有望產(chǎn)生的許多變化。

與目前工作在200℃結(jié)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比，Hanebeck認(rèn)為在相同使用時(shí)間條件下每單位硅片面積可以增加60%以上的輸出功率，或者在相同輸出功率條件下每單位硅片面積可延長500%以上的使用時(shí)間。另外一種好處是，在相同使用時(shí)間和輸出功率條件下硅片面積可以減少40%以上，并且具有更強(qiáng)的溫度冷卻功能，甚至可以取消低溫散熱器(圖5)。

圖5：隨著封裝和硅技術(shù)的發(fā)展，英飛凌希望其電源模塊能輸出更大的功率，同時(shí)仍具有30年的使用壽命

柵極驅(qū)動(dòng)IC的改進(jìn)對系統(tǒng)有很大的好處。現(xiàn)在的情況是能夠快速診斷不同的故障條件，然后采取措施，并與主要的微控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)正確的響應(yīng)。“在診斷要求不是太高的場合，業(yè)界一般采用面向工業(yè)電機(jī)控制開發(fā)的柵極驅(qū)動(dòng)器。”Bonfiglio指出。

僅車載診斷(OBD)要求就足以推動(dòng)這些進(jìn)步。通過修改和完善，目前的方法可以經(jīng)過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)更低的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

TT electronics公司為Protean Electric公司的輪內(nèi)電機(jī)開發(fā)了定制的微型逆變器/模塊。TT electronics公司全球技術(shù)部總監(jiān)Steve Jones認(rèn)為集成式輪內(nèi)電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有巨大優(yōu)勢，包括為更大的SUV汽車提供足夠的功率和扭矩，節(jié)省車輛內(nèi)的乘用空間等。他還看好交流電機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)。

“人們對混合動(dòng)力汽車的感應(yīng)控制很感興趣。這種混合動(dòng)力汽車在城市內(nèi)用電力驅(qū)動(dòng)，在其它地方則使用內(nèi)燃機(jī)。”Jones表示，“這種改進(jìn)可以很快完成，因而能很快上市。” #p#分頁標(biāo)題#e#

TT electronics公司在為電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車市場開發(fā)新產(chǎn)品的過程中實(shí)現(xiàn)了多種新技術(shù)。“使用SiC器件和兼容封裝可提供諸多應(yīng)用優(yōu)勢，包括更大的功率密度、更低的開關(guān)損耗、更高的工作頻率和更高的工作溫度。”Jones表示。

交流電機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的半導(dǎo)體器件當(dāng)然不是推動(dòng)未來電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車發(fā)展的唯一潛在變化。Ioxus有限公司工程技術(shù)副總裁Dave Torrey認(rèn)為，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是可以從超級(jí)電容受益的汽車系統(tǒng)之一，這種超級(jí)電容可以在加速狀態(tài)下補(bǔ)充電池電壓。

“如果你使用超級(jí)電容，你就真正擁有了一個(gè)在電池和超級(jí)電容之間混用的能量系統(tǒng)。”Torrey表示，“超級(jí)電容可以支持這種功率。”

正確的方向

汽車制造商正在努力向兩次充電之間實(shí)現(xiàn)更低燃油消耗、更長電動(dòng)行駛距離和更長時(shí)間的方向發(fā)展。因此，他們需要得到擁有關(guān)鍵技術(shù)的各家供應(yīng)商的幫助?？傊?，千里之行始于足下，只要邁出第一步，就有成功的希望。

“我發(fā)現(xiàn)整個(gè)混合動(dòng)力汽車市場仍處于初級(jí)階段。”Ansys公司的Stanton表示，“對我來說就像是100年前汽車產(chǎn)業(yè)的啟蒙時(shí)期。你所擁有的是這些小型供應(yīng)商和OEM以及試圖向汽車市場出售電機(jī)和設(shè)計(jì)的汽車修理人員。”