電機驅動控制的集成與設備智能技術為電動與混合動力車輛提供節省空間和成本的解決方案。


隨著世界范圍的人們對更高能源效率的交通方式的需求增加，HEV/EVs將首當其沖，成為人們的首要選擇的交通方式。為了更好的了解電動與混合動力車輛市場的潛力與發展情況，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]的報告中：“2007年到2021年混合動力車輛系統的需求預測，”將HEV/EV分為四類：

輕度混合動力
完全混合動力
插電式混合動力
純電動

這些分類的每一種均考慮車輛電機的功率以及電機在系統中準確負責的任務。例如，在上述報告中，Strategy Analytics將輕度混合動力車輛歸到電機功率小于20kW的那一類。此種電機用于配合內燃發動機的剎車恢復和扭矩輔助功能。一旦你理解了輕度混合動力與純電動的權衡，就更容易理解電機位置傳感器在該領域的總體有效市場。表1列出了Strategy Analytic報告中定義的系統分類，這些會貫穿全文。

表1：Strategy Analytics使用的電動車輛的不同分類。

系統

系統定義

系統組成

輕度混合動力系統

任何裝備一個功率小于20W、為車輛提供剎車恢復和扭矩輔助功能的電機，并與內燃發動機相連接的系統。

混合動力系統電子控制單元（ECUs）（包括電機與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉換器、電池組、其他存儲設備。

完全混合動力系統

任何裝備一個或多個功率大于20W、為車輛提供剎車恢復和推進功率功能的電機，并與內燃發動機相連接的系統。

混合動力系統電子控制單元（ECUs）（包括電機與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉換器、電池組、其他存儲設備。

插電式混合動力系統

任何裝備一個或多個為車輛提供剎車恢復和推進功率功能的電機，并與內燃發動機相連接的系統。裝備一個更大的插電式可充電蓄電池組，用來提高純電動駕駛的使用率。

混合動力系統電子控制單元（ECUs）（包括電機與電池控制器）、配線/電纜、傳感器、DC/DC轉換器、電池組、其他存儲設備。

純電動系統

任何裝備僅由電池供電的電機，用來給車輛提供推動力的系統。

電動車輛系統電子控制單元（ECUs）(包括電機與電池控制器)、配線、傳感器、DC/DC轉換器、電機、電池、其他存儲設備。

由Strategy Analytics提供的表格[1]

既然我們已經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市場。

如表1所示，每部車輛都可能搭載1到4個電機。（搭載4個電機是出于每個輪胎都需要一臺電機）。每臺使用的電機都將需要搭配合適的系統，以安全高效地驅動與控制這些電機。這些系統需要具備控制可見性和粒度，以實現合適的扭矩與電機控制。牢記電機與其控制系統需要的知識，表2（同樣來自Strategy Analytics的報告）給2015-2021期間市場上的每種類型車輛的數量一個估計值

表2：Strategy Analytics使用的每種類型車輛的數量

(K-units)

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

復合增長率（CAGR）
(2015-2021)

輕度混合動力系統

1,344

2,091

2,767

3,396

3,974

4,574

5,136

13.70%

完全混合動力系統

2,277

2,597

2,734

2,887

2,922

2,951

3,020

2.20%

插電式混合動力系統

352

755

1,086

1,518

2,007

2,374

2,871

21.00%

純電動系統

322

419

540

648

756

858

959

12.60%

總計

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市場的穩定增長以及汽車市場對電動解決方案的興趣。隨著需求的增加，原始設備制造商將繼續尋找提升這些車輛性能，并同時增加使用內置診斷、保護和監控設備增加系統自診斷容易性的方法。

為了了解這一新興且發展迅猛的市場，了解該領域的汽車制造商所關注的主要驅動因素是至關重要的。首先是使這些車輛能夠為他們的電機驅動器（逆變器）提供精確精準的電機控制非常重要。其次是為什么系統在設備層面的集成對為HEV/EV提供更小、更智能和更有效的解決方案非常關鍵。

精確精準的電機控制

對于任何車輛，不管電動與否，電機是驅動車輛前進的動力系統的中心部件。特別是電動車輛，需要電機的位置信息，包括角度和速度數據，以保證電機控制系統能夠高效精確地工作。由逆變器收集的數據被積極用來控制和監控每個電機相中的電流情況。控制和調節電機電流的過程就是用來為電機創造扭矩的過程。電動車輛的扭矩控制對客戶和汽車制造商均至關重要。扭矩至關重要的主要領域包括：

在以低速啟動電機和爬坡時需要高扭矩
扭矩控制保證車輛高速度巡航時的高功率
加速時的快速的扭矩響應要求精確的電機控制
精確的電機和扭矩控制實現回饋制動需要的高頻率

控制和理解電機中的扭矩使車輛可以為駕駛者向車輪提供更順滑的動力。準確地了解電機位置是保證合適扭矩控制的關鍵。通過了解電機軸的準確定位以及搭載可以根據電機數據做出決策的智能系統，電動車輛的控制系統能夠精確地計算出駕駛者需要的扭矩。控制越精確，用戶在處理所列的任意一種情況時將獲得更好的體驗。

電動和混合動力車輛使用的電機控制系統的簡單結構，見圖1。預想該系統如何工作的，您可以想象一下作為駕駛員您在駕駛的時候決定改變速度的場景。當你使發動機/電機控制單元（逆變器）加速（或減速）時，車輛的電池提供驅動電機運行的動力。然后，位置感測器（旋轉變壓器）會讀取電機的角度信息并將其轉化成逆變器系統的微控制器可操作的格式。該數據一旦傳輸到微控制器，電機控制系統就可以增加或降低電機扭矩。這些速度的增加或降低以同樣的方式被處理，而且合適的扭矩會根據用戶的原始輸入傳遞到系統。
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圖1：電動機控制單元與位置感測器裝備地點

集成

了解了電機控制在HEV/EV驅動系統中的重要性后，我們現在可以調查多種當今市場上用來增強控制車輛扭矩系統的方法。

電機控制系統的中心部件是一個逆變器電路板。該部件用來向微控制器、電機驅動器和用來讀取和操作收集到的電機信息的傳感器接口提供動力。為了能夠做到這一點，在車輛的引擎蓋下靠近電機的地方為系統裝備該電子產品。該電路板的位置給混合動力和電動車輛制造商帶來一對挑戰。

由于每輛車的引擎蓋下方的空間已然很有限，因此保證一個方案具有小型化的結構與封裝是至關重要的。為了實現更小的解決方案，電子元件供應商正專注于如何在一個封裝板內集成更多的功能甚至更多的器件。現在正引入市場的汽車器件集成一部分實現系統功能所需的元件在一個芯片上（例如信號鏈、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的元件的數量。

通過在一個封裝板中集成更多的功能和器件，混合動力和電動車輛制造商可以縮小逆變器系統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備制造商們有利優勢，使其不必再為顧客增加成本。

隨著市場趨向于集成化，另一個解決的因素是系統的整體智能和連接性。這到底意味著什么？當車輛內部的各模塊變得更加復雜時，進行系統診斷和健康檢查是有必要的，以確保他們正常工作。對于HEV/EV電機控制系統，做這些類型的檢查將會使電機、驅動電路以及位置感測器的健康狀況成為已知變量，而系統的運行依靠這些變量。憑借電機系統內部的可見性，如果誤差或問題發生，對驅動的評估將更智能與更迅速。更智能的電機控制可以報告控制系統的狀態并采取行動。這樣的電機控制系統是HEV/EV市場成功的必要條件。

總結

為汽車系統供應商和汽車制造商夠提供更智能、更小型與更節約成本的解決方案是HEV/EV市場的關鍵。隨著該市場迅速擴張，電機控制高度集成化的解決方案成為電動車輛增長的核心所在。最終，以較低的價格向顧客提供高性能的系統才是推動該市場向更成功邁進的真正動力。

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