12V和48V系统通用驱动平台简化了电动汽车起动发电机的设计
12V和48V系统通用驱动平台简化了电动汽车起动发电机的设计
简介
皮带驱动起动发电机是混合动力电动汽车(HEV)和电动汽车(EV)系统的组成部分，因为它们有助于减少内燃机产生的碳排放。起动发电机系统在电动汽车架构中扮演着多重角色。它们负责启动发动机，为发动机提供电力助力，并在减速或滑行过程中产生充电电压，这减少了机械制动系统的磨损，同时提高了整体系统效率。
无论其架构或位置如何，起动发电机系统已被证明是汽车电气化不可或缺的一部分。起动发电机可以在车辆内的多个位置使用。图1显示了一次起动发电机系统的位置。P0和P1位置通常小于20kw。P0系统正变得非常普遍，因为它们最容易实现，需要更少的重新设计和成本效益。P1位置具有类似的好处，同时消除了皮带损耗，从而获得更高的性能和更少的磨损。
起动发电机电路实现
起动发电机系统由多个电气和机械部件组成。逆变器提供电升压和DC-DC变换器，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中的曲柄位置以及冷启动所需的高启动扭矩。从机械上讲，起动发电机包括定子和转子，定子连接到三相逆变器，转子通过滑环和电刷将直流电流通过转子绕组产生电场。使用永磁电机的新设计可以消除对磁场线圈的需求，但这种方法存在其他安全挑战，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。
用于12V和48V系统的通用驱动器，电流传感器和电机位置角度传感器解决方案
带驱动起动发电机(BSG)系统用于12V和48V的电力轨道。12V BSG系统无法提供与48V起动发电机相同的电力优势。通常情况下，12V系统被限制在< 10kw，而48V系统可以产生高达25kw或更多的功率。随着功率的增加，对门驱动器以及电流传感器的要求也会增加。对于P0/P1位置，使用12V和48V电池的通用架构是有利的，额外的组件或重新设计所需的最少。使用通用的体系结构可以减少设计时间和材料清单(BOM)成本，并实现12V和48V系统中螺栓连接BSG系统的单一平台。
的AMT49502来自Allegro MicroSystems的半桥门驱动器亚博棋牌游戏可以在5.5 V到80 V的范围内工作，使其成为运行在12V或48V轨道上的BSG应用的多功能平台。亚博尊贵会员该器件的电荷泵调节器为两个n通道mosfet提供门驱动。图3显示了半桥设计的功能框图。只需要一个电源，所有内部逻辑都是由芯片上的逻辑电源调节器由充电泵调节器供电。稳压器负责向浮动自举电容提供调节的11v，这确保高侧MOSFET在栅极上有11v，电池电压为5.5 V。电荷泵调节器还提供内部逻辑，这降低了芯片的整体功耗。在不需要buck调节的情况下，最小化功耗是48V运行的关键。此外，一个小型集成电荷泵负责保持高侧开关在100%占空比。
Allegro还提供了广泛的电流传感选项，这些选项都具有类似的模拟接口，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感知放大器，通过低侧电流分流器测量电流。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率损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、低侧或同相，为控制和短路检测提供了系统级的灵活性。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、小的解决方案。对于电机相中看到的更高的电流，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的方法。ACS71240和ACS37610都提供内置过电流检测，ACS37610提供过温检测。AMT49502中的每个MOSFET都可以使用逻辑输入和次要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，一个串行外围接口(SPI)端口可用来读取诊断和设置功能参数。
进一步支持起动发电机设计，Allegro提供了一个完整的磁性角度传感器组合，用于各种各样的电机位置传感应用。亚博尊贵会员高分辨率A1333而且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。这种电机控制方案提高了起动发电机的效率和转矩性能。此外，Allegro还可以支持传统的块换向电机控制方法与全磁性霍尔传感器组合。
总体而言，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，并可以轻松缩放功率。
专为苛刻的环境设计
起动发电机系统可以在逆变器电桥上产生高电压。当在发电机模式下，逆变器的目的是将三相电流转换为直流电压和电流，可以应用到12V或48V电池系统作为充电。最终，电机产生的电压是基于转速的。对于逆变器电桥来说，在高速旋转和从驱动和发电机模式过渡过程中经受住电压瞬变是很重要的。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态。通过设计栅极驱动器来应对这些瞬变过程，开发商节省了宝贵的设计时间，并将增加高压夹具保护系统的额外成本降至最低。当高侧MOSFET在发电机模式下关闭时，桥上的电压瞬变可以在低侧驱动器上产生超过5v的负电压，在相位节点上产生超过10v的负电压。
相对于相位节点，AMT49502门驱动器可以在低侧门上存活- 8v，在高侧驱动器上存活- 18v，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。电动汽车组件必须足够坚固，既能处理负电压瞬变，又能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，同时提供最好的减排可能。他们还必须限制电磁排放的大小，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权衡，AMT49502驱动器具有分段可编程电流门驱动器拓扑结构，允许控制系统中所有mosfet的打开和关闭。MOSFET开-开和开-关过渡控制如图5所示。所有参数都通过SPI端口编程。
当门驱动器被命令打开时，电流，我1，在高侧或低侧门端子上供电，持续时间为t1．当漏源极电压在此期间不发生变化时，通常应设置这些参数以快速将MOSFET输入电容充电到米勒区开始。然后，在GH或GL上的电流被设置为I的值2并且在MOSFET通过米勒区域过渡并达到全开状态时保持在这个值。
MOSFET开关过渡控制如图5所示。当门驱动器被命令关闭时，电流，我1，被高侧或低侧门端子下沉，持续时间为t1．这些参数通常应设置为快速放电MOSFET输入电容到米勒区域的开始，因为漏源极电压在此期间不发生变化。然后，通过高侧或低侧门端子下沉的电流被设置为I的值2并且在MOSFET通过米勒区域过渡并达到完全关闭状态时保持在这个值。
完全控制MOSFET开关提高效率和减少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开关时间，提高正弦电流的保真度，增强了逆变器的性能。可编程电流在米勒区域控制MOSFET转换，限制排放，同时保持有效的开关时间。
快板的AMT49100具有ASIL D认证的三相门驱动器可用于纯48V系统。使用板载三相驱动程序缩小包内容，实现更小的系统设计。AMT49100提供额外的诊断和验证每个诊断与内置测试电路的能力。对于单驱动器设计，这种附加的诊断和验证功能提供了一定程度的功能安全，可以将各种故障通知发动机控制单元(ECU)。
一些48V的设计可能受益于超小的门驱动器。例如，10 ~ 100vA89500半桥门驱动在一个3mm × 3mm的DFN包中是如此的小，它可以减少整个印刷电路板(PCB)的空间。该装置可用于现场线圈驱动，以及适当的安全分析逆变器。驱动直接由8到13 V的栅电源供电，场效应晶体管(FET)桥直接连接到48V电池。详细信息请参见图6。
为安全设计
启动发电机故障可能会导致锂离子电池组过度充电，如果电池组电量不足，这可能是危险的。因此，起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情况。在五相系统中，一个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。在这种实现中，设计对于开发故障安全系统至关重要。该系统中的门驱动程序如果设计时考虑到安全性，则可以使要求更容易实现。例如，AMT49502是在ISO 26262认证的开发过程中设计的，该设备通过了ASIL B认证。
具有一套先进的诊断，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，门驱动欠压，桥供电过压，温度警告和其他条件。集成电路诊断为系统控制器提供必要的信息，以监视运行，并对系统所采取的行动作出决策，以确保故障安全运行。图7显示了AMT49502门驱动程序支持的诊断特性。
同样，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来看，ACS71240、ACS70310/1和ACS37612/10是QM，具有可用的安全相关文档，并用于系统级评级高达ASIL D的应用程序。从传感器组合的角度来看，A1333和AAS33001可以作为安全元件，分别为ASIL B或D评级的单模和双模产品。亚博尊贵会员
结论
BSG系统在HEV电机控制设计中越来越常见，因为其易于实现，占地面积与现有交流发电机系统相似，并且无需对动力系统进行重大修改(在P2 - P4位置)。随着起动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。
随着电力革命继续改变汽车工业，电气化将继续获得市场份额，12V解决方案将让位于更高的电池电压。为12V和48V系统使用一个通用平台将简化和简化向48V解决方案的过渡。起动发电机系统还将受益于行业领先的安全诊断、独立桥控制提供的冗余、电流传感和具有强大瞬态性能的电机位置传感器。
本文改编自那篇文章12V和48V系统通用驱动平台作者丹·雅克，出版于电力系统设计的2021年1月出版。可以找到原文在这里．