Reduza a ansiedade de alcance EV e melhore a segurança usando o controle FOC integrado do motor e sensores avançados

Os projetistas de sistemas de veículos elétricos (EV) e veículos híbridos elétricos (HEV) (frequentemente chamados de xEV) estão sob pressão constante para fornecer mais quilômetros por carga para reduzir a ansiedade de alcance e diminuir as pegadas de carbono do veículo. Ao mesmo tempo, eles precisam adicionar mais motores, sensores, eletrônicos associados, processadores e software para atender níveis mais altos de autonomia, características do usuário e segurança do veículo, além de reduzir os custos.

Motores para portas, janelas, ventoinhas de resfriamento da bateria, ventoinhas de radiadores e bombas, e outras características são uma questão particularmente espinhosa, pois não apenas acrescentam peso, mas também exigem algoritmos de controle avançados como o controle orientado a campo (FOC) para minimizar o ruído e o consumo de energia, ao mesmo tempo em que garantem uma resposta suave. A tarefa geral de projeto do sistema é complicada pela necessidade de atender também os requisitos de segurança funcional ISO 26262 e os padrões de qualidade AEC-Q100.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas podem recorrer a uma variedade de dispositivos automotivos qualificados que fornecem níveis mais altos de hardware e software que simplificam o projeto e a integração de várias funções, ao mesmo tempo em que reduzem a quantidade de peças e a pegada geral.

Este artigo discute os problemas enfrentados pelos projetistas de EVs e HEVs. Em seguida, apresenta e mostra como usar um controlador FOC de motor de corrente contínua sem escovas (BLDC) altamente integrado e uma placa de avaliação associada para dar o pontapé inicial a um eficiente projeto de motor EV/HEV. Ele também apresenta vários sensores para monitorar corrente, posição 3D, velocidade e direção, todos de uma única fonte, Allegro MicroSystems.

O custo, a segurança e as questões de ansiedade de alcance enfrentadas pelos EV

As questões que os projetistas de xEVs devem abordar são muitas, incluindo o custo do veículo, segurança e confiabilidade — particularmente à luz dos níveis crescentes de autonomia do veículo, alcance por carga (ansiedade de alcance), e duração do pacote de baterias.

Para dar suporte a segurança e confiabilidade, são necessários sensores avançados que atendam às exigências das funções dos sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), conforme definido na norma ISO 26262. Para custo e alcance, os projetistas se voltaram para trilhas de energia de tensão mais alta de até 800 volts para maior eficiência e redução do peso do cabo, ao mesmo tempo em que também aproveitaram as melhorias no projeto do pacote de baterias.

Por exemplo, um melhor gerenciamento térmico da bateria contribuiu para um maior alcance e maior vida útil da bateria, enquanto uma melhor refrigeração para inversores de tração EV e HEV ajuda a aumentar as densidades de potência e energia e a reduzir o peso.

Enquanto níveis mais altos de integração de dispositivos semicondutores estão permitindo maior funcionalidade com menos peso e espaço, os motores BLDC necessários para as ventoinhas de resfriamento devem ser rigorosamente controlados para otimizar a eficiência. Para conseguir isto, é útil incluir algoritmos avançados de controle de motor, como o FOC no controlador de motor do acionador de porta.

Resfriamento de alto desempenho

O FOC permite o funcionamento suave de motores elétricos em toda sua faixa de velocidade, e pode gerar torque total na partida. Além disso, o FOC pode proporcionar aceleração e desaceleração rápida e suave do motor, uma característica útil para o controle preciso em aplicações de movimento de alto desempenho. O FOC pode ser usado para desenvolver motores BLDC de alta eficiência, compactos e silenciosos de baixa tensão (LV) (50 volts CC e inferior) para uma gama de motores BLDC de alto desempenho de até 500 watts. Estes são tipicamente usados em ventoinhas de resfriamento de bateria xEV de alta tensão (HV), assim como sopradores de ventilação de aquecimento e ar condicionado (HVAC), e bombas de líquido para sistemas de resfriamento do inversor de tração HV (Figura 1).

Figura 1: Os controladores FOC de motor podem usar energia de bateria de baixa tensão para resfriar baterias xEV de alta tensão e inversores de tração HV. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

Em projetos convencionais, o FOC é implementado com sensores externos usando um microcontrolador. Chamados de FOC direto, estes projetos podem ser complexos, e tendem a sofrer de resposta dinâmica reduzida devido a sua dependência de sensores externos para medir os parâmetros de operação do motor.

O FOC com melhor desempenho e menor custo é possível através da eliminação dos sensores externos.

As informações dos sensores ausentes ainda são necessárias para implementar o FOC e podem ser extraídas das tensões e correntes nos terminais do motor a partir da força contraeletromotriz (BEMF) nos enrolamentos do motor. Enquanto o hardware é mais simples, a implementação de FOC sem sensores requer um software de controle mais complexo.

Um algoritmo FOC sem sensores pode permitir a mais alta eficiência e resposta dinâmica, ao mesmo tempo em que minimiza o ruído acústico. Também proporciona uma partida robusta em malha aberta para quando o motor estiver parado, quando não há informações BEMF disponíveis.

FOC fácil para ventoinhas de resfriamento e bombas automotivas

Enquanto a maioria dos controladores FOC BLDC exigem que os desenvolvedores de software escrevam e portam o algoritmo para um microprocessador ou microcontrolador, o A89307KETSR-J da Allegro MicroSystems integra o algoritmo FOC sem sensores diretamente no acionador de porta. Com apenas cinco componentes passivos externos (quatro capacitores e um resistor), o A89307KETSR-J também minimiza a lista de materiais (BOM), melhora a confiabilidade e reduz a complexidade do projeto (Figura 2).

Figura 2: Um circuito típico de aplicação da ventoinha de resfriamento do pacote de baterias A89307KETSR-J xEV mostra os cinco componentes externos: quatro capacitores e um resistor. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

O acionador de porta A89307KETSR-J opera de 5,5 a 50 volts CC. O algoritmo integrado FOC inclui torque constante e potência constante, bem como modos de operação em malha aberta e velocidade constante. O A89307KETSR-J inclui entradas para modulação de largura de pulso (PWM) ou controle de velocidade em modo clock, frenagem e direção, e sinais de saída para condições de falha e velocidade do motor (Figura 3).

Figura 3: O diagrama de blocos interno do A89307KETSR-J mostra o controlador FOC (centro), o controle de velocidade em modo clock (SPD) ou PWM, as entradas de freio (BRAKE) e direção (DIR) (à esquerda), e as saídas de falha (FAULT) e velocidade do motor (FG) (também à esquerda). (Imagem: Allegro MicroSystems)

O A89307KETSR-J é otimizado para acionar MOSFETs externos de baixa resistência de canal N. Ele pode fornecer as grandes correntes de acionamento de pico necessárias para ligar e desligar rapidamente os MOSFETs, a fim de minimizar a dissipação de potência durante o chaveamento, melhorando a eficiência operacional e reduzindo as preocupações de gerenciamento térmico. Estão disponíveis vários níveis de acionamento de porta, permitindo aos projetistas otimizar a compensação entre as emissões de interferência eletromagnética (EMI) e a eficiência. A rápida ativação dos MOSFETs reduz as perdas de chaveamento, mas aumenta o EMI, enquanto que uma ativação mais lenta do MOSFET reduz o EMI, sendo que em compensação aumenta as perdas de chaveamento e diminui a eficiência.

A velocidade do motor pode ser controlada através da entrada PWM, analógica ou de CLOCK. O controle de velocidade em malha fechada é uma opção, com uma relação de frequência de rotação por minuto (RPM) programável. O controle de partida sem sensores inclui detecção e sincronização de pré-rotação para frente e para trás (moinho de vento), permitindo que o A89307KETSR-J opere em uma ampla gama de configurações de motor e carga.

O algoritmo de inicialização sem inversão da Allegro MicroSystems também melhora o desempenho da inicialização. O motor iniciará no sentido correto após a energização sem vibração inversa ou trepidação. O recurso Soft-On-Soft-Off aumenta gradualmente a corrente para o motor com o comando "on" (condição de moinho de vento), e gradualmente reduz a corrente do motor com o comando "off", reduzindo ainda mais o ruído acústico (Figura 4).

Figura 4: As formas de onda de corrente A89307KETSR-J para "on" (em cima) e "off" (embaixo) suaves resultam em uma operação suave do motor e redução do ruído acústico. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

O A89307KETSR-J inclui uma interface I2C para definir a corrente nominal do motor, a tensão, a velocidade, a resistência e o perfil de partida. O I2C também implementa o on/off e o controle de velocidade, assim como os sinais de realimentação de velocidade e de falha.

Placa de avaliação FOC sem sensores

Os projetistas podem usar a placa de avaliação APEK89307KET-01-T-DK e o software associado para acelerar o desenvolvimento de acionamentos de motor BLDC baseados em FOC usando o A89307KETSR-J (Figura 5). Esta placa inclui o A89307KETSR-J com acesso a todos os pinos de entrada e saída mais um estágio de potência trifásico completo para o acionamento de um motor BLDC. Os projetistas podem selecionar os parâmetros do acionamento FOC usando uma interface gráfica de usuário (GUI) simples e carregá-los na EEPROM do chip. As necessidades mínimas de BOM do A89307KETSR-J permitem o projeto de acionamentos que se encaixam dentro da carcaça do motor, reduzindo ainda mais o tamanho da solução.

Figura 5: A placa de avaliação APEK89307KET-01-T-DK tem o A89307KETSR-J (U1, centro do lado esquerdo da placa) e seis MOSFETs de potência (lado direito) para acionar um motor BLDC. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

Sensores para ADAS

Os projetistas de sistemas xEV precisam sentir os níveis de corrente nos acionamentos motorizados, conversores CC-CC e inversores, bem como as posições rotativas das válvulas de acelerador e cilindros, e a velocidade e direção das engrenagens nas transmissões para implementar funções ADAS compactas e econômicas. A Allegro MicroSystems oferece uma variedade de soluções de sensores para ADAS, inclusive:

Sensoriamento de corrente: O ACS72981KLRATR-150B3 fornece aos projetistas uma detecção de corrente CA ou CC econômica e precisa. Este sensor de corrente de efeito Hall linear de alta precisão tem uma largura de banda de 250 quilohertz (kHz) e é projetado para uso em controle de motores, controle de conversores CC-CC, controle de inversores e detecção e gerenciamento de carga. É um CI com qualificação AEC-Q100 e tem um tempo de resposta <2 microssegundos (µs), suportando as rápidas necessidades de detecção de falhas de sobrecorrente de aplicações críticas para a segurança.

Sensoriamento de posição 3D: O sensoriamento magnético de posição 3D linear e rotativa sem contato para detecção de posição do acelerador, válvula, cilindro e transmissão pode ser rapidamente implementado utilizando o A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC da Allegro MicroSystems. O dispositivo pode medir o movimento rotativo nos planos horizontal e vertical, e medir o movimento linear lado a lado ou de frente para trás (Figura 6).

Figura 6: O sensor de posição 3D A31315LOLATR-XY-S-SE-10 pode medir o movimento rotativo nos planos horizontal e vertical, e medir o movimento linear lado a lado ou de frente para trás. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

O sensor A31315LOLATR-XY-S-SE-10 oferece aos projetistas a escolha dos formatos de saída de analógico raciométrico, PWM ou SAE J2716 SENT (Single Edge Nibble Transmission). Foi desenvolvido para atender a ISO 26262 ASIL B (die simples, em um invólucro SOIC-8) e ASIL D (die duplo redundante, em um invólucro TSSOP-14) em sistemas automotivos relacionados à segurança.

Velocidade e direção: O ATS19520LSNBTN-RSWHPYU é um sensor de engrenagem dentada para velocidade e direção de transmissão de efeito Hall diferencial tolerante à vibração, com modelos disponíveis para sensor de direção para frente e para trás (Figura 7).

Figura 7: A variante "F" mostrada do ATS19520 mede a rotação para frente quando um dente de engrenagem passa do Pino 1 para o Pino 3 (em cima), e a rotação para trás quando um dente de engrenagem passa do Pino 3 para o Pino 1 (embaixo). A variante "R" mede a rotação nas direções opostas. (Fonte da imagem: Allegro MicroSystems)

O sensor com classificação ISO 26262 ASIL B tem diagnóstico integrado e é adequado para uso em trens de acionamento xEV. O invólucro SIP (Single-Inline Package) de três pinos inclui um imã integrado de polarização traseira para medir a velocidade e a direção de alvos ferrosos rotativos, e um capacitor integrado para garantir a compatibilidade eletromagnética.

Conclusão

Acionamentos FOC integrados de motor BLDC sem sensores, junto com sensores de corrente, sensores magnéticos de posição e sensores de rotação, são componentes-chave que permitem o projeto de xEVs eficientes e seguros com maior alcance e menor pegada de carbono. O uso de acionamentos FOC de motores, em particular, permite o projeto de sistemas de resfriamento mais eficientes e silenciosos com melhor resposta dinâmica para pacotes de baterias e inversores de tração. Por sua vez, sensores compactos, precisos e de eficiência energética são fundamentais para o desenvolvimento de xEVs que atendam as exigências de confiabilidade dos sistemas avançados de assistência ao motorista e os requisitos de segurança funcional da ISO 26262.

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