湖南阳光技术学校
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更新时间:2022-03-29 11:54
编者按:使用牵引电机的车辆在世界范围内已经越来越普及。本文探讨了牵引电机系统中速度和位置传感器的应用需求趋势,包括高速能力、启动精度、低速运行、抗振动性、EMC鲁棒性和安全性等。Allegro MicroSystems能够提供多种解决方案,可以满足这些应用要求以及其他终端用户的要求。
牵引电机的总体发展趋势
本文引用地址:随着市场朝着电动汽车使用越来越广泛的方向发展,两个关键因素将影响现有牵引电机系统的需求发展方式:
1. 降低成本:使电动汽车的入门成本与内燃机汽车基本一致。
2. 扩大范围:使电池动力电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)成为更广泛应用的可行选择方案。这些因素将继续推动制造商寻找既可提高性能又可使用更具成本效益的电动汽车电机解决方案。
不断发展的电机需求
高速度
与内燃机汽车不同,电动车辆通常不具有变速器或只有低齿数变速器。电动汽车使用的牵引电机需要在广泛的速度范围内有效运行;因此,大多数时候只需要一个或两个差减变速器(gear ratio)即可。较少传动齿轮需要牵引电机比内燃发动机以更高的转速运行。这使传感设备必须执行一组新的技术要求。
虽然典型的内燃发动机在约6,000 rpm时进入转速红区,但许多电动汽车牵引电机的运转能力却远不止于此,找到比ICE发动机转速快两倍或更多的EV电机非常容易。例如,自2016年以来一直在市场上销售的雪佛兰Bolt EV使用最大转度为8,810 rpm的牵引电机,这是在Bolt前身Chevrolet Spark EV(2013 – 2016)基础上的改进,Chevrolet Spark EV使用的最大转速仅为4,500 rpm [1]。日产聆风(Leaf)是可与Bolt媲美的车辆,它使用的是EM57牵引电机,最大速度为10,390 rpm [2]。
特斯拉Model 3等更高性能电动汽车需要更高的转速。据估计,Model 3牵引电机在162 mph最高时度下可以达到27,200 rpm的转速[a]。Model 3是过去几年中广受欢迎的电动汽车之一,因此对高性能电动汽车有明确的需求。将来,未来市场对能够达到Model 3速度的牵引电机需求可能还会增大,必须重新设计半导体传感器件,以满足这些新的高速高性能应用需求。
启动、低速和振动要求
启动
牵引电机的启动要求根据所涉及的电机类型而有很大差异。大多数汽车牵引电机都使用永磁同步电机(PMSM)或感应电机(异步电机)。每种电机具有不同的功能,因而也具有不同的传感器件要求。
[a]该值是根据车辆的最高速度、车轮直径和齿轮减速比计算得出。
图1 常见的汽车牵引电机类型[3]。
永磁同步电机
基于永磁同步电机的应用需要反馈解决方案,可在启动时提供绝对的转子位置,这对于初始启动至关重要,因为同步电机的定子和转子需要“同相”运行。启动时转子位置反馈的错误会导致电机驱动的相位不一致,导致转子加速和/或“急动”以匹配电机驱动器的初始相位,甚至可能与预期驱动器的方向相反。
用于永磁同步电机需求的现有解决方案通常包括绝对位置编码器或旋转变压器(resolver)。旋转变压器由于其在恶劣汽车应用环境中呈现的高可靠性而成为市场上最主流的解决方案,通常也更耐受电磁干扰和高温。
图2 旋转变压器示例[4]。
感应电机
基于感应电机的应用在启动时不受与永磁同步解决方案相同的绝对位置反馈要求约束。由于启动时无需转子和定子之间直接的相位匹配,因此启动时转子将遵循任何给出的定子相位。
能够满足感应电机需求的现有解决方案通常使用旋转变压器或增量位置编码器,其中增量位置编码器在启动时提供的信息很少甚至没有(对于异步电机是可接受的),但是与旋转变压器及其绝对位置方案相比,还可以节省成本。虽然在启动时不必提供绝对位置,但由于可提供更高的可靠性,旋转变压器在使用感应电机的应用中仍然很常见。
图3 增量编码与绝对编码示例[5]。
低速性能
低速性能对于牵引电机至关重要。由于对于大多数牵引电机系统来说,较低速度是一种低效率模式,因此必须减轻由于电机控制不良而造成的任何额外功率损失。此外,对于正在开发的用于牵引电机的自动系统,例如自动停车和特斯拉的“智能召唤”功能,要求这些电机控制系统的反馈具有更高分辨率。
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