電機節(jié)能技術(shù)讓電動汽車更環(huán)保

自《巴黎協(xié)定》推行簽署以來，全球經(jīng)濟脫碳已成共識。而在全球石油消耗的總量中，交通運輸占據(jù)了10%以上，其中公路交通為主要占比。因此推動傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型，是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。據(jù)IHS預(yù)測，要達到2050年凈零排放的目標，2030年汽車電氣化的占比就應(yīng)達到60%以上。

圖1：凈零排放需求推高了輕型車輛中xEV的占比

（圖源：IHS）

電驅(qū)能效提高，實現(xiàn)更長續(xù)航

雖然當前電動汽車的發(fā)展獲得了來自“雙碳”政策的推動，但大部分消費者仍面臨著里程焦慮的困擾，因此電動汽車尚不能全面替代燃油車成為出行首選。

要快速實現(xiàn)汽車行業(yè)電氣化轉(zhuǎn)型，電動汽車需要達到與燃油車一致的駕乘里程，這其中涉及到了充電、電池管理和電機驅(qū)動等多項技術(shù)發(fā)展。從充電方面來看，充電速度需要進一步提升，超充站、換電站等基建要跟得上；從電池方面來看，電池的容量、充放電效率要進一步提高；從電機驅(qū)動方面來看，整體驅(qū)動系統(tǒng)的能效也要進一步提高。

圖2：來自韓國現(xiàn)代汽車統(tǒng)計表明，續(xù)航里程和充電體驗仍是消費者選購EV時最關(guān)心的參數(shù)

（圖源：現(xiàn)代汽車官網(wǎng)）

一輛電動汽車最為重要的構(gòu)成就是“三大電”，即電池、電機和電驅(qū)系統(tǒng)。其中電機是構(gòu)成電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件，是其行駛中的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。而進行主電機控制的主驅(qū)逆變器（Traction Inverter），堪稱電動汽車的心臟，它負責將電池能量轉(zhuǎn)換成控制速度和扭矩的動力。

主驅(qū)逆變器和其所控制的電動機的響應(yīng)速度將會直接影響駕駛感受，決定了汽車行駛的主要性能指標。不同的控制和驅(qū)動特性調(diào)教，可以為不同類型車輛帶來不同駕駛表現(xiàn)。如果電機控制做得不夠好，動力系統(tǒng)效率會大幅降低，甚至電機也容易發(fā)熱損壞。

圖3：電動汽車“三大電”

（圖源：Silicon Mobility）

扭矩和電機尺寸成正比，而功率決定了電機扭矩和速度。在不影響功率水平的情況下，要想追求汽車整體的續(xù)航設(shè)計目標，延長行駛里程，同時減小電氣尺寸和重量，就只能提高轉(zhuǎn)速。這意味著牽引電機需要以更高速運行（>30,000 rpm），這也就對牽引逆變器提出了更高的要求，需要實現(xiàn)更快速感測和處理。

典型的主驅(qū)逆變器方案中包括控制模塊、驅(qū)動器、功率變換器以及多種傳感器?？刂颇K負責接收駕駛者給出的加速減速等指令，將其轉(zhuǎn)換成驅(qū)動器能夠接收的驅(qū)動信號；驅(qū)動器接收來自控制器的指令，將其轉(zhuǎn)換成對逆變器中可控硅的通斷指令；功率變換器的部分主要是由逆變器構(gòu)成，接收到驅(qū)動器的信號后，對電機的電流電壓進行控制。另外，驅(qū)動器除了驅(qū)動之外，還作為保護裝置，提供過壓、過流、故障監(jiān)測等保護功能。而功率變換部分，則可根據(jù)不同需求，選擇IGBT或SiC方案。

圖4：典型主驅(qū)逆變器方案由控制器、驅(qū)動電路和功率級組成

（圖源：安森美）

近年來隨著技術(shù)發(fā)展，追求高能效成為了電驅(qū)設(shè)計的關(guān)鍵。牽引逆變器的設(shè)計趨勢包括：采用更高算力芯片和更為先進的控制算法；使用SiC MOSFET作為功率級的開關(guān)晶體管；使用高壓800V電池和多子系統(tǒng)集成以獲得高功率密度。

通過精準電流傳感器，結(jié)合智能MCU和先進控制算法可以讓電機控制回路準確性提升，從而減少延遲并提升效率；SiC功率器件的開關(guān)頻率比IGBT更高，因此可以將更多電池輸入轉(zhuǎn)化為可用的電機輸出，并且改善了開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗和導(dǎo)熱系數(shù)，逆變器體積也可以做到更小，實現(xiàn)更高的能效。

從更高的整車系統(tǒng)層面的考慮，業(yè)界也正在推進將動力系統(tǒng)集成，即將車載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器等獨立系統(tǒng)組合到單個域控制器下，實現(xiàn)單個緊湊機械外殼中的統(tǒng)一集成，從整車的角度提升功率密度。

圖5：逆變器采用SiC相比IGBT能效更高

（圖源：Institute of Electrical and Electronics Engineers）

選擇合適器件，實現(xiàn)高效電驅(qū)設(shè)計

從燃油車邁向電氣化，芯片在汽車中的作用更為重要。為實現(xiàn)電機的高能效設(shè)計目標，就需要選擇高性能的器件。

電機控制器

電機控制的選擇上，給大家推薦安森美（onsemi）的LV8907UW BLDC電機控制器，該器件在貿(mào)澤電子上的料號為LV8907UWR2G。這是一款高性能、無傳感器三相器件，設(shè)有集成式柵極驅(qū)動器和兩級電荷泵。該器件可為各種超低RDS(ON)型外部N-MOSFET提供所需的柵極電流，并具有過流、過壓、短路、欠壓及過熱等保護特性。工作電壓范圍為5.5V至20V，并采用梯形或正弦反EMF（電動勢）反饋。

圖6：LV8907UWR2G框圖

（圖源：貿(mào)澤電子）

LV8907UW BLDC電機控制器支持開環(huán)和閉環(huán)速度控制，設(shè)有用戶可配置的啟動、速度設(shè)置以及比例/積分（PI）控制系數(shù)，非常適合用于各種電機和負載組合。LV8907具有高集成度（內(nèi)置用于為外部電路供電的線性穩(wěn)壓器）、看門狗定時器以及本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）收發(fā)器。LV8907采用緊湊的48引腳SPQFP48封裝，提供極為小巧的解決方案尺寸。

另外針對步進電機的應(yīng)用，可以選擇Toshiba的TB9120AFTG汽車步進電機驅(qū)動器，該器件在貿(mào)澤電子上的料號為TB9120AFTG(EL)。這是一款恒流、兩相、雙極步進電機驅(qū)動器，具有時鐘輸入接口和PWM恒流控制系統(tǒng)，適合用于各種使用步進電機的常見汽車應(yīng)用。該產(chǎn)品支持全步進至1/32步進可選激勵模式，實現(xiàn)了更低的電機噪聲和更流暢的控制。

柵極驅(qū)動器

柵極驅(qū)動器的選擇上給大家推薦安森美的LV8968BBUW柵極驅(qū)動器，該器件在貿(mào)澤電子上的料號為LV8968BBUWR2G。這是一款三相BLDC/PMSM前置驅(qū)動器，集成了相位電壓檢測和邏輯電平FET兼容性。該柵極驅(qū)動器為外部電源橋提供400mA柵極電流，支持低電阻功率FET和邏輯電平FET。

圖7：LV8968BBUW框圖

（圖源：貿(mào)澤電子）

LV8968BBUW柵極驅(qū)動器具有可編程線性穩(wěn)壓器、快速電流檢測放大器和支持微控制器的窗口看門狗。該柵極驅(qū)動器具有寬工作范圍，符合AEC-Q100標準，非常適合用于汽車應(yīng)用。LV8968BBUW柵極驅(qū)動器還具有適用于ISO26262應(yīng)用的保護和監(jiān)控特性。

為了更快地進行柵極驅(qū)動器的評定，工程師們也可以考慮直接選擇相應(yīng)的評估板。在這里給大家推薦安森美的LV8968BB評估板，這是一款適用于8V至25V應(yīng)用的通用汽車三相柵極驅(qū)動器，該評估板在貿(mào)澤電子上的料號是LV8968BBGEVB。該評估板配有各種可選外設(shè)，支持實現(xiàn)從簡單的無傳感器BEMF換向到復(fù)雜的磁場定向算法等各種電機控制。為方便和電機控制器進行通信，該評估板設(shè)有用于連接微控制器的接口和用于Arduino DUE的插入式接口。

圖8：LV8968BB實物圖

（圖源：貿(mào)澤電子）

除上述驅(qū)動器件外，其他晶體管的選型也應(yīng)仔細考量。針對12V至48V電池系統(tǒng)的各種汽車應(yīng)用，可以選擇東芝的汽車級N/P溝道SSMx MOSFET，該系列實現(xiàn)了高水平的低導(dǎo)通電阻，因此可以進一步降低能量損耗。該系列在貿(mào)澤電子上給大家推薦的料號為SSM3J145TU,LXHF。

此外，還可以通過使用高集成度的元器件來進一步縮小系統(tǒng)尺寸，提升系統(tǒng)整體功率密度。東芝的RN汽車用內(nèi)置偏置電阻型晶體管，針對開關(guān)、逆變器電路、接口連接和驅(qū)動器電路應(yīng)用優(yōu)化。通過內(nèi)部集成偏置電阻，從而進一步減少了外圍元件。該系列在貿(mào)澤電子上給大家推薦的料號為RN2101MFV,L3XHF(CT。

以上所有的元器件，均可在貿(mào)澤電子的官網(wǎng)獲取信息并實現(xiàn)采購。作為知名的電子元器件分銷商，貿(mào)澤電子長期關(guān)注汽車電氣化轉(zhuǎn)型，為廣大工程師提供廣泛的車規(guī)級芯片選擇。

總結(jié)

做好電機控制是電動汽車實現(xiàn)高續(xù)航、高性能駕乘體驗的關(guān)鍵要素。為了實現(xiàn)更高的功率密度，行業(yè)已經(jīng)推進采用SiC MOSFET、800V電池系統(tǒng)和動力系統(tǒng)集成等技術(shù)路線，而這些新技術(shù)的推進，也對工程師提出了新的設(shè)計挑戰(zhàn)。

選擇先進的器件、模塊和方案是實現(xiàn)高效電機驅(qū)動設(shè)計的關(guān)鍵。貿(mào)澤電子提供豐富的電機驅(qū)動相關(guān)器件，助力碳中和之路上的電氣化轉(zhuǎn)型。

來源：Mouser