更小更智能的電機(jī)控制器推進(jìn)HEV／EV市場 - 全文

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的集成與設(shè)備智能技術(shù)為電動(dòng)與混合動(dòng)力車輛提供節(jié)省空間和成本的解決方案。


隨著世界范圍的人們對(duì)更高能源效率的交通方式的需求增加，HEV/EVs將首當(dāng)其沖，成為人們的首要選擇的交通方式。為了更好的了解電動(dòng)與混合動(dòng)力車輛市場的潛力與發(fā)展情況，我們不可避免的要知道在本文中提到的是什么類型的車輛。在Strategy Analytics[1]的報(bào)告中：“2007年到2021年混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)的需求預(yù)測，”將HEV/EV分為四類：

輕度混合動(dòng)力
完全混合動(dòng)力
插電式混合動(dòng)力
純電動(dòng)

這些分類的每一種均考慮車輛電機(jī)的功率以及電機(jī)在系統(tǒng)中準(zhǔn)確負(fù)責(zé)的任務(wù)。例如，在上述報(bào)告中，Strategy Analytics將輕度混合動(dòng)力車輛歸到電機(jī)功率小于20kW的那一類。此種電機(jī)用于配合內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的剎車恢復(fù)和扭矩輔助功能。一旦你理解了輕度混合動(dòng)力與純電動(dòng)的權(quán)衡，就更容易理解電機(jī)位置傳感器在該領(lǐng)域的總體有效市場。表1列出了Strategy Analytic報(bào)告中定義的系統(tǒng)分類，這些會(huì)貫穿全文。

表1：Strategy Analytics使用的電動(dòng)車輛的不同分類。

系統(tǒng)

系統(tǒng)定義

系統(tǒng)組成

輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)

任何裝備一個(gè)功率小于20W、為車輛提供剎車恢復(fù)和扭矩輔助功能的電機(jī)，并與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的系統(tǒng)。

混合動(dòng)力系統(tǒng)電子控制單元（ECUs）（包括電機(jī)與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池組、其他存儲(chǔ)設(shè)備。

完全混合動(dòng)力系統(tǒng)

任何裝備一個(gè)或多個(gè)功率大于20W、為車輛提供剎車恢復(fù)和推進(jìn)功率功能的電機(jī)，并與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的系統(tǒng)。

混合動(dòng)力系統(tǒng)電子控制單元（ECUs）（包括電機(jī)與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池組、其他存儲(chǔ)設(shè)備。

插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)

任何裝備一個(gè)或多個(gè)為車輛提供剎車恢復(fù)和推進(jìn)功率功能的電機(jī)，并與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的系統(tǒng)。裝備一個(gè)更大的插電式可充電蓄電池組，用來提高純電動(dòng)駕駛的使用率。

混合動(dòng)力系統(tǒng)電子控制單元（ECUs）（包括電機(jī)與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池組、其他存儲(chǔ)設(shè)備。

純電動(dòng)系統(tǒng)

任何裝備僅由電池供電的電機(jī)，用來給車輛提供推動(dòng)力的系統(tǒng)。

電動(dòng)車輛系統(tǒng)電子控制單元（ECUs）(包括電機(jī)與電池控制器)、配線、傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)、電池、其他存儲(chǔ)設(shè)備。

由Strategy Analytics提供的表格[1]

既然我們已經(jīng)了解正討論的車輛類型，那就深入研究市場，以此來更好得了解正在投資HEV/EV車輛的汽車制造商的潛在目標(biāo)市場。

如表1所示，每部車輛都可能搭載1到4個(gè)電機(jī)。（搭載4個(gè)電機(jī)是出于每個(gè)輪胎都需要一臺(tái)電機(jī)）。每臺(tái)使用的電機(jī)都將需要搭配合適的系統(tǒng)，以安全高效地驅(qū)動(dòng)與控制這些電機(jī)。這些系統(tǒng)需要具備控制可見性和粒度，以實(shí)現(xiàn)合適的扭矩與電機(jī)控制。牢記電機(jī)與其控制系統(tǒng)需要的知識(shí)，表2（同樣來自Strategy Analytics的報(bào)告）給2015-2021期間市場上的每種類型車輛的數(shù)量一個(gè)估計(jì)值

表2：Strategy Analytics使用的每種類型車輛的數(shù)量

(K-units)

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

復(fù)合增長率（CAGR）
(2015-2021)

輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)

1,344

2,091

2,767

3,396

3,974

4,574

5,136

13.70%

完全混合動(dòng)力系統(tǒng)

2,277

2,597

2,734

2,887

2,922

2,951

3,020

2.20%

插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)

352

755

1,086

1,518

2,007

2,374

2,871

21.00%

純電動(dòng)系統(tǒng)

322

419

540

648

756

858

959

12.60%

總計(jì)

4,295

5,861

7,127

8,450

9,658

10,758

11,987

10.80%

由Strategy Analytics提供的表格[1]

表2顯示出HEV/EV市場的穩(wěn)定增長以及汽車市場對(duì)電動(dòng)解決方案的興趣。隨著需求的增加，原始設(shè)備制造商將繼續(xù)尋找提升這些車輛性能，并同時(shí)增加使用內(nèi)置診斷、保護(hù)和監(jiān)控設(shè)備增加系統(tǒng)自診斷容易性的方法。

為了了解這一新興且發(fā)展迅猛的市場，了解該領(lǐng)域的汽車制造商所關(guān)注的主要驅(qū)動(dòng)因素是至關(guān)重要的。首先是使這些車輛能夠?yàn)樗麄兊?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（逆變器）提供精確精準(zhǔn)的電機(jī)控制非常重要。其次是為什么系統(tǒng)在設(shè)備層面的集成對(duì)為HEV/EV提供更小、更智能和更有效的解決方案非常關(guān)鍵。

精確精準(zhǔn)的電機(jī)控制

對(duì)于任何車輛，不管電動(dòng)與否，電機(jī)是驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)的中心部件。特別是電動(dòng)車輛，需要電機(jī)的位置信息，包括角度和速度數(shù)據(jù)，以保證電機(jī)控制系統(tǒng)能夠高效精確地工作。由逆變器收集的數(shù)據(jù)被積極用來控制和監(jiān)控每個(gè)電機(jī)相中的電流情況?？刂坪驼{(diào)節(jié)電機(jī)電流的過程就是用來為電機(jī)創(chuàng)造扭矩的過程。電動(dòng)車輛的扭矩控制對(duì)客戶和汽車制造商均至關(guān)重要。扭矩至關(guān)重要的主要領(lǐng)域包括：

在以低速啟動(dòng)電機(jī)和爬坡時(shí)需要高扭矩
扭矩控制保證車輛高速度巡航時(shí)的高功率
加速時(shí)的快速的扭矩響應(yīng)要求精確的電機(jī)控制
精確的電機(jī)和扭矩控制實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)需要的高頻率

控制和理解電機(jī)中的扭矩使車輛可以為駕駛者向車輪提供更順滑的動(dòng)力。準(zhǔn)確地了解電機(jī)位置是保證合適扭矩控制的關(guān)鍵。通過了解電機(jī)軸的準(zhǔn)確定位以及搭載可以根據(jù)電機(jī)數(shù)據(jù)做出決策的智能系統(tǒng)，電動(dòng)車輛的控制系統(tǒng)能夠精確地計(jì)算出駕駛者需要的扭矩?？刂圃骄_，用戶在處理所列的任意一種情況時(shí)將獲得更好的體驗(yàn)。

電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛使用的電機(jī)控制系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)，見圖1。預(yù)想該系統(tǒng)如何工作的，您可以想象一下作為駕駛員您在駕駛的時(shí)候決定改變速度的場景。當(dāng)你使發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)控制單元（逆變器）加速（或減速）時(shí)，車輛的電池提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力。然后，位置感測器（旋轉(zhuǎn)變壓器）會(huì)讀取電機(jī)的角度信息并將其轉(zhuǎn)化成逆變器系統(tǒng)的微控制器可操作的格式。該數(shù)據(jù)一旦傳輸?shù)轿⒖刂破?，電機(jī)控制系統(tǒng)就可以增加或降低電機(jī)扭矩。這些速度的增加或降低以同樣的方式被處理，而且合適的扭矩會(huì)根據(jù)用戶的原始輸入傳遞到系統(tǒng)。
?

圖1：電動(dòng)機(jī)控制單元與位置感測器裝備地點(diǎn)

集成

了解了電機(jī)控制在HEV/EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要性后，我們現(xiàn)在可以調(diào)查多種當(dāng)今市場上用來增強(qiáng)控制車輛扭矩系統(tǒng)的方法。

電機(jī)控制系統(tǒng)的中心部件是一個(gè)逆變器電路板。該部件用來向微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和用來讀取和操作收集到的電機(jī)信息的傳感器接口提供動(dòng)力。為了能夠做到這一點(diǎn)，在車輛的引擎蓋下靠近電機(jī)的地方為系統(tǒng)裝備該電子產(chǎn)品。該電路板的位置給混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛制造商帶來一對(duì)挑戰(zhàn)。

由于每輛車的引擎蓋下方的空間已然很有限，因此保證一個(gè)方案具有小型化的結(jié)構(gòu)與封裝是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)更小的解決方案，電子元件供應(yīng)商正專注于如何在一個(gè)封裝板內(nèi)集成更多的功能甚至更多的器件。現(xiàn)在正引入市場的汽車器件集成一部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的元件在一個(gè)芯片上（例如信號(hào)鏈、通信或電源）。然后將集成的芯片組合起來用于降低電路板上用來控制電機(jī)的元件的數(shù)量。

通過在一個(gè)封裝板中集成更多的功能和器件，混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛制造商可以縮小逆變器系統(tǒng)的整體板子尺寸以及省去一些不再需要的電子元件的成本。更小和更具成本效率的電子元件層面的解決方案給予原始設(shè)備制造商們有利優(yōu)勢，使其不必再為顧客增加成本。

隨著市場趨向于集成化，另一個(gè)解決的因素是系統(tǒng)的整體智能和連接性。這到底意味著什么？當(dāng)車輛內(nèi)部的各模塊變得更加復(fù)雜時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)診斷和健康檢查是有必要的，以確保他們正常工作。對(duì)于HEV/EV電機(jī)控制系統(tǒng)，做這些類型的檢查將會(huì)使電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路以及位置感測器的健康狀況成為已知變量，而系統(tǒng)的運(yùn)行依靠這些變量。憑借電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的可見性，如果誤差或問題發(fā)生，對(duì)驅(qū)動(dòng)的評(píng)估將更智能與更迅速。更智能的電機(jī)控制可以報(bào)告控制系統(tǒng)的狀態(tài)并采取行動(dòng)。這樣的電機(jī)控制系統(tǒng)是HEV/EV市場成功的必要條件。

總結(jié)

為汽車系統(tǒng)供應(yīng)商和汽車制造商夠提供更智能、更小型與更節(jié)約成本的解決方案是HEV/EV市場的關(guān)鍵。隨著該市場迅速擴(kuò)張，電機(jī)控制高度集成化的解決方案成為電動(dòng)車輛增長的核心所在。最終，以較低的價(jià)格向顧客提供高性能的系統(tǒng)才是推動(dòng)該市場向更成功邁進(jìn)的真正動(dòng)力。

這些 HEV/EV解決方案包括：PGA411-Q1旋轉(zhuǎn)變壓器接口和C2000?微控制器。您可以在TI的網(wǎng)站上了解更多關(guān)于TI HEV/EV解決方案的信息。