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。
无论它们的架构或它们位于哪里，起动发电机系统已被证明是汽车电气化的一个组成部分。起动机发电机可以在车辆的多个位置使用。图1显示了一次启动发电机系统的位置。P0和P1位置一般小于20 kW。P0系统正变得非常普遍，因为它们是最容易实现的，需要更少的重新设计，而且成本效益高。P1位置具有类似的优点，同时消除了皮带损失，从而获得更高的性能和更少的磨损。
起动发生器电路实现
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。
通用驱动器，电流传感器，电机位置角度传感器解决方案，适用于12V和48V系统
在12V和48V电源轨上使用皮带驱动启动发生器（BSG）系统。12V BSG系统不能提供与48V起动发生器相同的功率优势。通常，12V系统限制为<10kW，而48V系统可以产生高达25kW或更大。随着电源的增加，栅极驱动器上的需求以及当前传感器也会增加。对于P0 / P1位置，有利的是使用12V和48V电池的公共架构，其需要最小的附加组件或需要重新设计。使用常见架构可降低设计时间和材料清单（BOM）成本，并为12V和48V系统中的螺栓上的BOLT-on BSG系统启用单个平台。
的AMT49502来自Allegro MicroSystems的半桥栅驱动器亚博棋牌游戏可以工作在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。亚博尊贵会员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提供精确、高效和小型的解决方案。对于电机相中较高的电流，最常见的解决方案是ACS70310/1C-core或者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。亚博尊贵会员高分辨率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。
专为苛刻的环境设计
起动发电机系统可以在逆变桥上产生高电压。在发电机模式下，逆变器的目的是将三相电流转换成直流电压和电流，充电时可加到12V或48V电池系统上。最终，电机产生的电压是基于转速的。对于逆变桥来说，在高速旋转和从驱动和发电机模式过渡期间存在的电压瞬变是很重要的。栅极驱动器必须足够强大，以处理系统中存在的高电流和电压瞬变。通过设计能够承受这些瞬变的栅极驱动器，开发人员节省了宝贵的设计时间，并最大限度地减少了添加高压箝位来保护系统的额外成本。当高边MOSFET在发电机模式下关断时，桥上的电压瞬变可以在低边驱动器上产生大于5v的负电压，在相节点上产生大于10v的负电压。
AMT49502栅极驱动器相对相位节点可以承受- 8v的低侧栅极和- 18v的高侧驱动，如图4所示。鲁棒暂态性能和智能控制算法的结合可以确保即使是高功率系统也不会损坏逆变器。电动汽车部件必须足够坚固，既能处理瞬态负电压，又能满足制造商的电磁排放要求。启动发电机逆变器需要快速切换，以保持效率，同时提供最佳的减排可能。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辐射之间的平衡，AMT49502驱动器采用分段可编程电流门驱动拓扑，允许控制系统中所有mosfet的开启和关闭。MOSFET的关-通和通-关转换控制如图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并保持在这个值，当MOSFET跃迁通过米勒区域，并达到完全打开的状态。
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，在一段时间内被高边或低边栅极终端下沉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并且在MOSFET通过米勒区域转换并达到完全关闭状态时保持该值。
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。
Allegro'sAMT49100具有ASIL D认证的三相栅极驱动器可用于纯48V系统。使用三相驱动程序缩小包装内容，使更小的系统设计。AMT49100提供额外的诊断和验证每个诊断的能力与内置测试电路。对于单驾驶员设计，这种额外的诊断和验证功能提供了一种功能安全水平，可以通知发动机控制单元（ECU）各种故障。
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。
专为安全而设计
起动器发生器故障可能导致锂离子电池组的过充电，这可能是危险的。因此，起动发生器电路必须符合ISO 26262标准，通常需要“B”级认证。例如，在发电机高速旋转的同时逆变器桥的故障可能导致过充电状态。在五相系统中，一种解决方案是通过禁用场线圈驱动器有效地除去转子上的磁场。在此实现中，该设计对于开发故障安全系统至关重要。如果它们设计用于安全性，该系统中的栅极驱动程序可以更容易实现。例如，AMT49502是在ISO 26262认证的开发过程中设计的，并且该设备被认证为ASIL B兼容。
每个半桥驱动器都有一套高级诊断，每个半桥驱动器包含近20个诊断功能，包括负载转储检测，MOSFET短路保护，闸门驱动欠压，桥电源过电压，温度警告等条件。IC诊断为系统控制器提供必要的信息来监视操作，并对系统采取的操作进行决策以确保故障安全操作。图7显示了AMT49502栅极驱动器支持的诊断功能。
同样，Allegro提供的霍尔效应电流传感和电机位置解决方案旨在记住安全。从当前的传感器组合，ACS71240，ACS70310 / 1和ACS37612 / 10是QM，可提供安全相关的文档，并用于系统级评级的应用，如ASIL D.从角度传感器组合中，亚博尊贵会员A1333和AAS33001可以用作SAL B或D分别为单一和双模产品的SAIL B或D等待时用作安全元素。
结论
由于其易于实现，对现有交流发电机系统的易于实现以及对动力总成（在P2 - P4位置中的主要修改，因此BSG系统在HEV电机控制设计中变得越来越常见。随着起动器发生器系统继续发展，进一步的集成可能会影响BSG的作用。前进，48V系统可能在P3 - P4位置占主导地位。
随着电气革命的继续转变汽车行业，电气化将继续获得市场份额，12V解决方案将使较高的电池电压达到较高的电池电压。使用12V和48V系统的公共平台将简化和缓解到48V解决方案的过渡。起动发生器系统还将受益于行业领先的安全诊断，独立桥接控制，电流检测和电机位置传感器提供的冗余，具有稳健的瞬态性能。
本文已从文章调整用于12V和48V系统的通用驱动平台丹纳古克，发表在电力系统设计的2021年1月出版。可以找到原文在这里．