הפחתת חרדת הטווח של רכבים חשמליים (EV) ושיפור הבטיחות באמצעות בקרת מנוע FOC משולבת וחיישנים מתקדמים

המתכננים של מערכות רכב חשמלי (EV) ורכב חשמלי היברידי (HEV) (הנקראים לעתים xEV) נתונים תחת לחץ מתמיד לספק יותר קילומטרים לכל טעינה, כדי להרגיע את חרדת הטווח ולהפחית את חתימת הפחמן של הרכב. במקביל, הם צריכים להוסיף עוד מנועים, חיישנים, אלקטרוניקה קשורה, מעבדים ותוכנה כדי לעמוד ברמות גבוהות יותר של אוטונומיית הרכב, מאפייני משתמש ובטיחות, תוך הפחתת העלויות.

מנועים לדלתות, חלונות, מאווררי קירור סוללה, מאווררי רדיאטור ומשאבות, כמו גם מאפיינים אחרים, הם נושא בעייתי במיוחד שכן לא רק שהם מוסיפים משקל, אלא הם גם דורשים אלגוריתמי בקרה מתקדמים כגון בקרה מוכוונת שדה (FOC) כדי להקטין למינימום את הרעש ואת צריכת החשמל, תוך הבטחת תגובה חלקה. משימת תכנון המערכת הכוללת מסובכת בשל הצורך לעמוד גם בדרישות הבטיחות הפונקציונלית של ISO 26262 וגם בתקני האיכות של AEC-Q100.

כדי לעמוד באתגרים הללו, המתכננים יכולים לפנות למגוון של התקנים מורשים לרכב המעניקים רמות גבוהות יותר של חומרה ותוכנה ומפשטים את התכנון והשילוב של פונקציות שונות, תוך הפחתת מספר החלקים וחתימת-השטח הכוללת.

מאמר זה דן בבעיות העומדות בפני מתכנני רכבי EV ו- HEV. לאחר מכן הוא מציג ומראה כיצד להשתמש בבקר מנוע זרם ישר ללא-מברשות (BLDC) משולב ביותר של FOC ולוח הערכה נלווה כדי להתניע תכנון מנוע EV/HEV יעיל. הוא גם מציג חיישנים שונים לניטור זרם, מיקום 3D‏, מהירות וכיוון, הכול ממקור אחד, Allegro MicroSystems.

נושאי העלות, הבטיחות וחרדת הטווח העומדים בפני רכבי EV

הנושאים שמתכנני xEV חייבים להתמודד איתם הם רבים, כולל עלות, בטיחות ואמינות הרכב - במיוחד לאור הרמות ההולכות וגדלות של אוטונומיית הרכב, טווח הנסיעה לטעינה (חרדת הטווח) ואורך חיי מארז הסוללות.

כדי לתמוך בבטיחות ובאמינות, דרושים חיישנים מתקדמים העומדים בדרישות של פונקציות מתקדמות של מערכות עזר מתקדמות לנהגים (ADAS) כפי שהוגדרו ב- ISO 26262. עבור העלות והטווח, המתכננים פנו לפסי מתח גבוה יותר של עד 800 וולט לטובת נצילות גבוהה יותר ומשקל כבלים מופחת, תוך ניצול היתרון של השיפורים בתכן מארז הסוללות.

לדוגמה, ניהול תרמי טוב יותר של הסוללה תרם לטווח נסיעה גדול יותר ולחיי סוללה ארוכים יותר, בעוד שקירור משופר עבור מהפכי הינע EV ו- HEV עוזר להגדיל את צפיפות ההספק והאנרגיה ולהפחית את המשקל.

בעוד שרמות גבוהות יותר של שילוב התקני מוליכים-למחצה מאפשרות פונקציונליות רבה יותר עם פחות משקל ומקום, מנועי ה- BLDC הדרושים למאווררי הקירור הנדרשים חייבים להיות מבוקרים בקפידה כדי למטב את הנצילות. כדי להשיג זאת, כדאי לכלול אלגוריתמים מתקדמים של בקרת מנוע כגון FOC בדוחף השער של בקר המנוע.

קירור עם ביצועים עיליים

FOC מאפשר פעולה חלקה של מנועים חשמליים על פני מלוא תחום המהירויות שלהם, והוא יכול לייצר מומנט מלא בעת האתחול. בנוסף, FOC יכול לספק האצה והאטה מהירות וחלקות יותר של המנוע, מאפיין שימושי עבור בקרה מדויקת ביישומי תנועה עם ביצועים עיליים. ניתן להשתמש ב- FOC לפיתוח דוחפים קומפקטיים ושקטים במתח נמוך (LV‏) (50 וולט ונמוך יותר) עם נצילות גבוהה עבור מגוון של מנועי BLDC עם ביצועים עיליים עד 500 וואט. אלה משמשים בדרך כלל במאווררי קירור סוללות xEV במתח גבוה (HV), כמו גם במפוחי חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), ובמשאבות נוזלים עבור מערכות קירור מהפך HV (איור 1).

איור 1: בקרי מנוע FOC יכולים להשתמש בהספקת-כוח מסוללת LV כדי לקרר סוללות xEV HV ומהפכי הינע HV‏. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

בתכנים קונבנציונליים, FOC מיושם עם חיישנים חיצוניים באמצעות מיקרו-בקר. התכנים הללו, הנקראים FOC ישיר, יכולים להיות מורכבים, והם נוטים לסבול מהיענות דינמית מופחתת בשל הסתמכותם על חיישנים חיצוניים למדידת פרמטרי הפעולה של המנוע.

FOC עם ביצועים משופרים ועלות נמוכה יותר אפשרי על ידי ביטול החיישנים החיצוניים.

הנתונים החסרים מהחיישנים עדיין נחוצים עבור יישום FOC, וניתן לחלץ אותם מהמתחים והזרמים בהדקי המנוע כתוצאה מהכוח האלקטרו-מניע לאחור (BEMF) בסלילי המנוע. בעוד שהחומרה פשוטה יותר, היישום של FOC ללא-חיישנים דורש תוכנת בקרה מורכבת יותר.

אלגוריתם FOC ללא-חיישנים יכול לאפשר את הנצילות הגבוהה ביותר ואת ההיענות הדינמית תוך הקטנה למינימום של הרעש האקוסטי. הוא גם מעניק אתחול חוג-פתוח חסון כאשר המנוע הוא בעצירה ואין נתוני BEMF זמינים.

FOC קל עבור מאווררי קירור ומשאבות רכב

בעוד שרוב דוחפי FOC BLDC דורשים ממפתחי התוכנה לכתוב ולהעביר את האלגוריתם למיקרו-מעבד או מיקרו-בקר, ה- A89307KETSR-J מבית Allegro MicroSystems משלב אלגוריתם FOC ללא-חיישנים ישירות בתוך דוחף השער. עם חמישה רכיבים פסיביים חיצוניים בלבד (ארבעה קבלים ונגד אחד), ה- A89307KETSR-J גם מקטין למינימום את מפרט החומרים (BOM), משפר את האמינות ומפחית את מורכבות התכנון (איור 2).

איור 2: מעגל יישום מאוורר קירור מארז סוללות A89307KETSR-J xEV טיפוסי המציג את חמשת הרכיבים החיצוניים: ארבעה קבלים ונגד אחד. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

דוחף השער A89307KETSR-J‏ פועל מהספקת-כוח DC‏ של 5.5 עד 50 וולט. אלגוריתם FOC המשולב כולל מומנט קבוע והספק קבוע, כמו גם אופני פעולה עם חוג-פתוח ומהירות קבועה. ה- A89307KETSR-J כולל כניסות עבור אפנון רוחב פולס (PWM) או בקרת מהירות אופן שעון, בלימה וכיוון, ואותות היציאה עבור תנאי תקלה ומהירות המנוע (איור 3).

איור 3: דיאגרמת הבלוקים הפנימית של ה- A89307KETSR-J מציגה את בקר FOC (במרכז), את בקרת המהירות של PWM או אופן שעון (SPD), כניסות בלם (BRAKE) וכיוון (DIR) (בצד שמאל), ואת יציאות התקלה (FAULT) ומהירות המנוע (FG) (גם משמאל). (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

ה- A89307KETSR-J ממוטב עבור דחיפת רכיבי MOSFET תעלת-N‏ להספק חיצוניים עם התנגדות מצב-מופעל נמוכה. הוא יכול לספק זרמי דחיפת שיא הגדולים הדרושים ל"הפעלה" ו"כיבוי" מהיר של רכיבי MOSFET‏ כדי להקטין למינימום את פיזור ההספק במהלך המיתוג, לשפר את נצילות הפעולה ולהפחית נושאי ניהול תרמי. קיימות מספר רמות דחיפת שער המאפשרות למתכננים למטב את הפשרה בין פליטות עקב הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) לבין הנצילות. מיתוג מהיר למצב-מופעל של רכיבי MOSFET‏ מפחית את הפסדי המיתוג, אך מגדיל את ה- EMI, בעוד שמיתוג איטי יותר מפחית את ה- EMI, כשהפשרה היא הגדלת הפסדי המיתוג לעומת נצילות נמוכה יותר.

ניתן לבקר את מהירות המנוע באמצעות כניסת PWM, אנלוגית או שעון. קיימת אפשרות לבקרת מהירות בחוג-סגור, עם יחס סיבובים-לדקה-(סל"ד, RPM)-לתדר-שעון ניתן-לתכנות. בקרת ההתנעה ללא-חיישנים כוללת גילוי וסינכרון לפני-סיבוב קדימה ואחורה (טחנת רוח), המאפשרת ל- A89307KETSR-J לפעול על פני מגוון רחב של תצורות מנוע ועומס.

אלגוריתם ההתנעה ללא-סיבוב-הפוך של Allegro MicroSystems גם משפר את ביצועי ההתנעה. המנוע יתניע בכיוון הנכון לאחר ההפעלה הראשונית ללא רעידות אחורה או נדנודים. מאפיין Soft-On-Soft-Off מגדיל בהדרגה את הזרם למנוע עם הפקודה "הפעלה" (מצב טחנת רוח), ומפחית בהדרגה את הזרם מהמנוע עם הפקודה "כיבוי" תוך הפחתה נוספת של הרעש האקוסטי (איור 4).

איור 4‏:צורות-גל הזרם של ה- A89307KETSR-J עבור "הפעלה" רכה (למעלה) ו"כיבוי" רך (למטה) מניבים פעולת מנוע חלקה ורעש אקוסטי מופחת. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

ה- A89307KETSR-J כולל ממשק I2C להגדרת הזרם הנומינלי, מתח, מהירות, התנגדות ופרופיל ההתנעה של המנוע. ה- I2C מיישם גם הפעלה/כיבוי ובקרת מהירות, כמו גם משוב מהירות ואותות תקלה.

לוח הערכה FOC‏ ללא-חיישנים

המתכננים יכולים להשתמש בלוח ההערכה APEK89307KET-01-T-DK ובתוכנה הנלווית כדי להאיץ את הפיתוח של דוחפי מנועי BLDC מבוססי FOC באמצעות ה- A89307KETSR-J (איור 5). לוח זה כולל את ה- A89307KETSR-J עם גישה לכל פיני הכניסה והיציאה, ובנוסף דרגת הספקת-כוח תלת-פאזית שלמה עבור דחיפת מנוע BLDC. המתכננים יכולים לבחור פרמטרים של דוחף FOC באמצעות ממשק משתמש גרפי (GUI) פשוט ולטעון אותם לתוך ה- EEPROM שעל-השבב. מפרט החומרים (BOM) המינימלי של ה- A89307KETSR-J מאפשר תכנון של דוחפים שניתן להרכיבם בתוך בית המנוע, ובכך מקטינים עוד יותר את גודל הפתרון.

איור 5‏: לוח ההערכה APEK89307KET-01-T-DK כולל את ה- A89307KETSR-J‏ (U1, בצד שמאל במרכז הלוח) ושישה רכיבי MOSFET להספק (בצד ימין) עבור דחיפת מנוע BLDC‏. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

חיישנים עבור ADAS

מתכנני מערכות xEV צריכים לחוש את רמות הזרם בדוחפי המנוע, ממירי DC-DC ומהפכים, כמו גם את המיקומים הסיבוביים של שסתומי המצערת והבוכנות כמו גם את מהירות וכיוון גלגלי השיניים בתמסורת כדי לממש פונקציות ADAS באופן קומפקטי וחסכוני. חברת Allegro MicroSystems מציעה מגוון פתרונות חיישנים עבור ADAS, כולל:

חישת זרם: ה- ACS72981KLRATR-150B3 מספק למתכננים חישת זרם AC או DC חסכונית ומדויקת. לחיישן זרם ליניארי בעל דיוק גבוה זה עם אפקט Hall יש רוחב-פס של 250 קילו-הרץ (kHz) והוא מיועד לשימוש בבקרת מנוע, בקרת ממיר DC-DC, בקרת מהפך וזיהוי וניהול העומס. זהו IC מורשה AEC-Q100 עם זמן תגובה של < 2 מיקרו-שניות (µs), התומך בצרכים של זיהוי מהיר של תקלות זרם-יתר ביישומים קריטיים לבטיחות.

חישת מיקום 3D‏: חישת מיקום מגנטית 3D ליניארית וסיבובית ללא-מגע עבור זיהוי מצבי מצערת, שסתום, בוכנה ותמסורת ניתן לממש במהירות באמצעות ה- A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC של Allegro MicroSystems. ההתקן יכול למדוד תנועה סיבובית במישור האופקי והאנכי, ולמדוד תנועה ליניארית מצד לצד או מלפנים לאחור (איור 6).

איור 6‏: חיישן המיקום A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3D יכול למדוד תנועה סיבובית במישור האופקי והאנכי, ולמדוד תנועה ליניארית מצד לצד או מלפנים לאחור. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

חיישן A31315LOLATR-XY-S-SE-10 מעניק למתכננים את הבחירה בין פורמטי יציאה רציומטרית אנלוגית, PWM, או Single Edge Nibble Transmission‏ (SENT‏) SAE J2716‏. הוא פותח כדי לעמוד ביכולות ISO 26262 ASIL B (פיסת-סיליקון אחת, במארז SOIC-8) ו- ASIL D (פיסת-סיליקון כפולה יתירה, במארז TSSOP-14) במערכות רכב הקשורות לבטיחות.

מהירות וכיוון: ה- ATS19520LSNBTN-RSWHPYU הוא חיישן שיניי גלגל שיניים למהירות וכיוון אפקט Hall‏ דיפרנציאלי טולרנטי-לרעידות, עם דגמים עבור חישת כיוון קדימה ואחורה (איור 7).

איור 7: גרסת "F" המוצגת של ה- ATS19520 מודדת סיבוב קדימה כאשר שן גלגל השיניים עוברת מפין 1 לפין 3 (למעלה), וסיבוב לאחור כאשר שן גלגל שיניים עוברת מפין 3 לפין 1 (למטה). גרסת "R" מודדת את הסיבוב בכיוונים ההפוכים. (מקור התמונה: Allegro Microsystems)

לחיישן בדירוג ISO 26262 ASIL B יש דיאגנוסטיקה משולבת והוא מתאים לשימוש במערכות הינע xEV. המארז מסוג Single-In-line Package‏ (SIP) עם שלושה פינים כולל מגנט משולב עם ממתח אחורני למדידת המהירות והכיוון של מטרות מסתובבות מברזל, וקבל משולב כדי להבטיח תאימות אלקטרומגנטית.

סיכום

דוחפי מנועי FOC BLDC משולבים ללא-חיישנים, ביחד עם חיישני זרם, חיישני מיקום מגנטיים וחיישני סיבוב, הם מרכיבי מפתח המאפשרים תכני רכבי xEV יעילים ובטוחים עם טווחי נסיעה גדולים יותר וחתימות פחמן נמוכות יותר. השימוש בדוחפי מנועי FOC, במיוחד, מאפשר תכנון של מערכות קירור יעילות ושקטות יותר עם היענות דינמית משופרת עבור מארזי סוללות ומהפכי הינע. מצידם, חיישנים קומפקטיים, מדויקים וחסכוניים באנרגיה הם קריטיים לפיתוח רכבי xEV העונים על דרישות האמינות של מערכות עזר מתקדמות לנהגים (ADAS) ולדרישות הבטיחות הפונקציונלית של ISO 26262.

קריאה מומלצת

1. חישת זרם חדשנית עבור חשמול רכבים
2. יישום אפקטיבי של התקני הספק SiC עבור רכבים חשמליים עם טווח ארוך יותר