EV/HEV電機控制無源器件的苛刻要求資料下載

作者 ：Bill Schweber, Mouser Electronics 回顧歷史，作為先行者的內(nèi)燃汽車只內(nèi)置了一個大電機。這個12V/100A（典型值）的家伙并不需要復(fù)雜的控制，它只是一個開/關(guān)，“提供所需的12V直流電壓，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動”。當(dāng)時也存在少數(shù)其它電機，但它們外形小也更易于控制，比如擋風(fēng)玻璃雨刷。 跳回當(dāng)今：為完成升降窗戶，座椅調(diào)節(jié)，后視鏡調(diào)整，天窗控制等功能，當(dāng)前的車輛需要配備數(shù)十個小型到中型電機。支持所有這些功能的車內(nèi)布線回路要求很高，如果使用單條線連接方式，將會占據(jù)太多空間，重量增加也很明顯，并且難以跟蹤和糾錯，還會大幅增加BOM成本，因此這些電機通過網(wǎng)絡(luò)方式連接起來。 圖1A 帶有高電壓連接器的電機 此外，隨著電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）的出現(xiàn)，電機的需求顯著增加。車輛電氣系統(tǒng)現(xiàn)在必須將幾百安培和幾百伏的電源傳輸至輪轂電機中（豐田普瑞斯電機的工作電平是200V），而且為滿足性能要求這些電機必須精細(xì)控制。 不過電機控制不止我們看到的MOSFET管為電機提供電源關(guān)斷，處理器執(zhí)行嵌入式電機控制算法或去激勵MOSFET管。盡管有源器件很關(guān)鍵，但它們也僅占據(jù)系統(tǒng)的一小部分。車內(nèi)廣泛分布著大量的電機，覆蓋小功率到高功率單元，要對這些電機的供電以及控制，須對兩類無源器件提出了苛刻要求： 一類是反饋運動控制的感測電阻，它可以讓電機控制器準(zhǔn)確地掌握電機目前在做什么以及做的效果如何。隨著電流更大、電壓更高，感測電阻的效率挑戰(zhàn)也更大。 另一類是連接器，可用以處理電壓和電源，而且結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟高效，使用安全，在工廠試驗和現(xiàn)場維修時方便斷開和重連接，在惡劣汽車環(huán)境中表現(xiàn)也可靠。 感測電流 當(dāng)特別需要掌握電機的運行狀態(tài)時，為能夠與電機期望的指令動作（位置，速度）相合拍，需要某種形式的反饋。這可以通過使用一個轉(zhuǎn)軸編碼器（霍爾效應(yīng)、光效應(yīng)或者磁效應(yīng)）或通過電機繞組以感測電流來實現(xiàn)。通常，設(shè)計者希望僅從使用電流檢測方法入手，因為相對于轉(zhuǎn)軸編碼器，這種方法更經(jīng)濟并且物理實現(xiàn)也更容易。 起初，電流檢測的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單：將一個電阻與各電動機繞組串聯(lián)在一起，電阻的兩端電壓就可以感測，并利用電動機控制器（圖1）進行監(jiān)測。該電阻通常被稱為“分流”電阻，但其實用詞不當(dāng)，因為它與電機繞組是串聯(lián)在一起，而不是將電流分流。 （請注意，還有其它的檢測方法，包括非接觸式方法，如霍爾效應(yīng)器件或在電機引線上使用傳感線圈，但這些方法超出了本文范圍。） 圖1B：從概念上講最簡單的測量電機電流的方法，是通過簡單地測量適當(dāng)大小的感測電阻兩端的電壓降，而該電阻則與電機串聯(lián)在一起（有時稱為“分流”電阻）。 取決于電流值和感測電路的電壓軌，通常選擇的電阻其兩端最大電壓降約為1V，該值經(jīng)常異于電機供電電壓。一般情況下，為減少壓降，降低電阻損耗，最大限度地減少電力損耗，并且不影響環(huán)路穩(wěn)定性，檢測電阻值要遠(yuǎn)低于1Ω。由于電阻處于電機控制反饋環(huán)路，但它獨立于電機繞組的固有電阻，可能會影響環(huán)路的動態(tài)性和穩(wěn)定性。此外，基本的計算顯示，電機電流較大時，電阻值必須盡可能的小，以最小化電阻兩端的電壓降，這在低電源電壓設(shè)計時尤為重要。 盡管選擇合適的檢測電阻，僅需通過 V = I × R就可以做出決策，但實際并非如此。這里需要考慮多個相互沖突的因素： ? 電阻值：低阻值電阻可以最小化電壓損失和盡可能不影響環(huán)路性能。然而，低電阻生成的電壓也較低，可能難以精確地檢測，尤其是有噪聲存在時。因此，檢測電阻兩端的電壓較大的期望與偏好較低的電阻值之間發(fā)生了沖突。高電流環(huán)境下實際使用的電阻值在亞毫歐范圍內(nèi)。 ? 電阻額定功率：即便電阻值通常只在1歐以下，但仍有較大電流通過該電阻，而且必須選用適當(dāng)散熱等級。一個0.1歐的電阻在10 A電流時功耗將高達(dá)10瓦，這時聚集的熱量會過大。 ? 溫阻系數(shù)：和其它所有組件一樣，電阻具有溫度系數(shù)（tempco）。雖然這里看似可以忽略不計，其實不然。通常情況下，電機周圍溫度變得相當(dāng)高，電阻值會因此發(fā)生顯著變化。給定所需的測量精度和溫度擺幅水平，這可能導(dǎo)致讀數(shù)的精度在可接受范圍之外。 ? 關(guān)聯(lián)電路跡線：PC板上連接感測電阻的跡線和焊點可能看起來很小，但實際上它們的阻值和電阻本身比起來仍然會相當(dāng)顯著。因此，在感測電阻與跡線的連接點，以及所述電路路徑中的這些元件的溫度系數(shù)，都將影響初始和長期讀數(shù)。 ? 封裝：在最小電流時，使用標(biāo)準(zhǔn)的表面貼片（SMT）電阻;電流為中等水平時，使用SMT電阻或軸向引線器件;在功耗最大時，電阻可以封裝為螺釘或螺栓。一些大電流、低阻值感測電阻模樣小巧，外觀呈現(xiàn)為全金屬片或微型母線。一個中等功率感測電阻案例是Vishay/Dale的 WSBM8518L1000JK，這是一個額定功率為36W、阻值為0.0001Ω的帶電池金屬片分流電阻（圖2）。這是一個表面貼片器件，帶有12.7（高）×43.2（長）×38.1mm（寬）的大型標(biāo)簽，具備±5％的容差以及±225 ppm/?C的溫度系數(shù)。它還包括一個連接器，以簡化電壓傳感連接。 圖2：當(dāng)前面市的感測電阻存在多種物理形式，為減少電源電壓到負(fù)載的串聯(lián)損耗以及弱化功率損失引發(fā)的散熱問題，電阻值一般在毫歐范圍內(nèi)。該Vishay/Dale 0.0001Ω WSBM8518L1000JK 單元集成了電壓撿拾連接器，處理功率可多達(dá)36 W.（來源：Mouser/Vishay Dale） 雖然其溫度系數(shù)相當(dāng)大，但它依然在許多應(yīng)用中可以被接受。也有可選的具備較低溫度系數(shù)的電阻，如 Vishay/Dale 的WSMS3124L1000JK（圖3），它的阻值為0.0001Ω、功率為3W，漂移范圍為 ±75 ppm/?C；此金屬帶單元大小為3.3（高）×55（長）×15mm（寬）。 圖3：有些感測電阻是具備精確值的金屬片，如Vishay/Dale公司的 WSMS3124L1000JK ，它的阻值為0.0001Ω、功率為3W 。 （來源：Vishay Dale）(mbbeetchina)