用于12V和48V系统的通用驱动平台简化了电动汽车起动发电机的设计
用于12V和48V系统的通用驱动平台简化了电动汽车起动发电机的设计
介绍
皮带驱动启动器是混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)系统的重要组成部分，有助于减少内燃机产生的碳排放。起动机发电机系统在电动汽车结构中起着多种作用。它们负责启动发动机，为发动机提供电力助推，并在减速或滑行过程中产生充电电压，从而减少机械制动系统的磨损，同时提高整体系统效率。
无论其结构或位置如何，起动发电机系统已被证明是车辆电气化的一个组成部分。起动发电机可在车辆内的多个位置使用。图1显示了主起动发电机系统的位置。P0和P1位置通常小于20 kW。P0系统由于P1位置最容易实施、需要较少重新设计且成本效益高，因此变得非常普遍。P1位置在消除皮带损失的同时具有类似的优势，从而提高了性能并减少了磨损。
起动机发电机电路实现
起动发电机系统由多个电气和机械部件组成。逆变器提供电力升压和DC-DC转换器，以能量收集模式将转子中的机械能转换为电能。该系统还负责怠速停止系统的曲柄位置以及冷启动所需的高启动扭矩。从机械上讲，一种起动发电机包括连接到三相逆变器的定子和通过滑环和电刷将直流电通过转子绕组产生磁场的转子。使用永磁电机的新设计可以消除对磁场线圈的需要，但这种方法提出了其他安全挑战，因为在故障条件下无法关闭磁化。图2显示了五相电机的典型电路实现。
12V和48V系统的通用驱动器、电流传感器和电机位置角传感器解决方案
皮带驱动启动发电机(BSG)系统用于12V和48V电力轨道。12V BSG系统不能提供48V启动发电机相同的功率优势。通常，12V系统的功率限制在10 kW以下，而48V系统的功率可达25 kW或更多。随着功率的增加，对门驱动器和电流传感器的需求也会增加。对于P0/P1位置，12V和48V电池采用通用架构是有利的，而无需额外组件或重新设计。使用通用架构可以减少设计时间和物料清单(BOM)成本，并为12V和48V系统的螺栓连接BSG系统提供一个单一平台。
的AMT49502来自Allegro MicroSystems的半桥栅驱动器雷竞技竞猜下载可以工作在5.5 V到80 V之间，使其成为运行在12V或48V轨道上的BSG应用程序的通用平台。雷竞技最新网址该器件的电荷泵调节器为两个n沟道mosfet提供栅极驱动。图3显示了半桥设计的功能框图。只需要一个单一的电源，所有的内部逻辑是由一个由电荷泵调节器供电的片上逻辑电源调节器创建的。该稳压器负责为浮动自举电容提供调节的11v，以确保高侧MOSFET栅上有11v的电池电压5.5 V。电荷泵调节器也提供内部逻辑，这减少了芯片的整体功耗。在不需要降压调节的情况下，降低功耗是48V运行的关键。此外，一个小型集成电荷泵负责保持高边开关在100%占空比。
Allegro还为电流传感提供了广泛的选项，这些选项都有类似的模拟接口，可以反馈到微处理器，允许具有冗余的全场定向控制(FOC)。对于低功率系统，AMT49502具有集成的高性能电流检测放大器，通过低侧电流分流来测量电流。随着功率的增加，基于霍尔效应的电流传感器提供更低的功耗和比必要的分流电阻更小的尺寸。它们的电隔离也意味着它们可以放置在高侧、低侧或相位，在系统级为控制和短路检测提供了灵活性。对于在转子线圈中看到的典型电流，Allegro的集成导体ACS71240提供准确、高效和小型的解决方案。对于电机相位中出现的更高电流，最常见的解决方案是ACS70310/1在C核或ACS37612/10空心的解决方案。所有这些解决方案都提供了冗余和内置诊断方法。ACS71240和ACS37610都具有内置过流检测功能，ACS37610具有过温检测功能。AMT49502中的每个MOSFET都可以使用逻辑输入以及辅助ENABLE输入进行独立控制，后者提供了一个独立的路径来禁用桥接或激活休眠模式。然后使用SPI (serial peripheral interface)端口读取诊断信息和设置功能参数。
进一步支持启动器发电机设计，Allegro提供了一个完整的投资组合的磁角度传感器，广泛的电机位置传感应用。雷竞技最新网址高分辨率A1333和AAS33001角度传感器提供旋转电机的位置信息，可作为正弦换向电机控制方案的一部分。这种类型的电机控制方案带来了高效率和提高转矩性能的起动发电机。此外，Allegro还可以支持传统的块换向电机控制方法与全磁霍尔传感器组合。
总的来说，使用AMT49502、Allegro电流传感器ic和电机位置传感器设计的BSG可以工作于12V和48V系统，并且很容易调整功率。
专为高要求环境设计
起动发电机系统可在逆变器电桥上产生高电压。在发电机模式下，逆变器的作用是将三相电流转换为直流电压和电流，以供12V或48V蓄电池系统充电。最终，电机产生的电压取决于转速。逆变器电桥在高速旋转期间以及从驱动和发电机模式过渡期间存在的电压瞬变中幸存下来非常重要。栅极驱动器必须足够坚固，以处理系统中存在的高电流和电压瞬变。通过设计栅极驱动器以经受住这些瞬态，开发人员节省了宝贵的设计时间，并最大限度地减少了增加高压钳位以保护系统的额外成本。当高压侧MOSFET在发电机模式下关闭时，电桥上的电压瞬变可在低压侧驱动器上产生大于5 V的负电压，在相位节点上产生大于10 V的负电压。
相对于相位节点，AMT49502栅极驱动器在低压侧栅极上可以承受-8 V电压，在高压侧栅极上可以承受-18 V电压，如图4所示。鲁棒瞬态性能和智能控制算法的结合可以确保即使是大功率系统也不会损坏逆变器。电动汽车部件必须足够坚固，以处理负电压瞬变，并通过制造商的电磁发射要求。起动发电机逆变器需要快速切换以保持效率，同时尽可能提供最佳的减排效果。他们还必须限制电磁辐射的大小，以满足严格的OEM要求。
为了满足高效率和低电磁发射之间的折衷，AMT49502驱动器采用分段可编程电流门驱动拓扑，允许系统中所有MOSFET的可控开启和关闭。MOSFET从关到开和从开到关的转换控制如图5所示。所有参数都通过SPI端口编程。
当门驱动被命令打开时，电流I1，在持续一段时间内，在高端或低端门终端上溯源1．当漏源极电压在此期间没有变化时，这些参数通常应该设置为快速将MOSFET输入电容充电到米勒区域的开始。然后，将来源于GH或GL的电流设为I2并且在MOSFET通过Miller区过渡并达到完全开启状态时保持该值。
MOSFET的开关转换控制如图5所示。当门驱动被命令关闭时，电流I1，被高压侧或低压侧闸门终端下沉一段时间，t1．当漏源极电压在此期间没有变化时，这些参数通常应该设置为快速放电到米勒区开始的MOSFET输入电容。然后，由高端或低端栅极端子下沉的电流设为I值2并保持在这个值，当MOSFET跃迁通过米勒区域，并达到完全关闭状态。
全控制的MOSFET开关提高效率和降低EMI。减少死区时间和MOSFET达到Vt所需的时间，通过最小化高侧和低侧MOSFET开关的时间，提高了逆变器的性能，并提高了正弦电流的保真度。在米勒区域的可编程电流控制MOSFET的转换，这限制了排放，同时保持有效的开关时间。
快板的AMT49100具有ASIL D认证的三相栅极驱动器可用于纯48V系统。使用三相驱动板压缩包内容，使更小的系统设计。AMT49100提供了额外的诊断，并能够验证每个诊断与内置的测试电路。对于单驱动器设计，这种额外的诊断和验证功能提供了一定程度的功能安全性，可以在各种故障时通知发动机控制单元(ECU)。
一些48V设计可能受益于超小型门驱动器。例如，10到100伏A89500半桥门驱动器在3 mm × 3 mm DFN封装是如此小，它可以减少整体印刷电路板(PCB)的空间。该装置可用于场线圈驱动，以及安全分析适当的逆变器。驱动器直接由8至13v栅极电源供电，场效应晶体管(FET)桥直接连接到48V电池。有关详细信息，请参见图6。
为安全设计
启动发电机故障可能导致锂离子电池组过度充电，这可能是危险的，如果电池短。因此，启动发电机电路必须符合ISO 26262标准，通常要求“B”级认证。例如，当发电机仍在高速旋转时，逆变器桥的故障会导致过充状态。在五相系统中，一种解决方案是通过禁用磁场线圈驱动器来有效地去除转子上的磁场。在此实现中，设计对于开发故障安全系统至关重要。该系统中的门驱动器可以使要求更容易实现，如果他们是为安全而设计的。例如，AMT49502是根据ISO 26262认证的开发流程设计的，该设备通过了ASIL B认证。
每个半桥驱动器具有一套先进的诊断功能，包含近20个诊断功能，包括负载转储检测、MOSFET短路保护、栅极驱动欠压、桥供电过压、温度警告和其他条件。IC诊断为系统控制器提供必要的信息，以监控操作，并对系统采取的行动做出决策，以确保故障安全操作。图7显示了AMT49502门驱动程序支持的诊断功能。
同样，由Allegro提供的霍尔效应电流传感和电机位置解决方案在设计时也考虑到了安全性。从目前的传感器组合，ACS71240, ACS70310/1，和ACS37612/10是QM，有安全相关文档可用，并用于系统级评级高达ASIL d的应用程序。从角度传感器组合，A1333，雷竞技最新网址AAS33001和AAS33001可以作为单独和双模具产品的ASIL B或D评级的安全元件。
结论
BSG系统在混合动力汽车电机控制设计中越来越普遍，因为它易于实现，占用空间与现有交流发电机系统相似，而且无需对动力系统进行重大修改(在P2 - P4位置)。随着启动器发电机系统的不断发展，随着时间的推移，进一步的集成可能会影响BSGs的作用。未来，48V系统可能会在P3 - P4位置占据主导地位。
随着电气革命继续改变汽车行业，电气化将继续获得市场份额，12V解决方案将让位给更高的电池电压。使用12V和48V系统的通用平台将简化和轻松过渡到48V解决方案。起动机发电机系统还将受益于行业领先的安全诊断、独立桥控提供的冗余、电流传感和具有鲁棒瞬态性能的电机位置传感器。
这篇文章是由那篇文章改编而成的用于12V和48V系统的通用驱动平台丹·雅克，发表于电力系统设计的2021年1月出版。可以找到原文在这里．