2019年06月28日 | 先进的电机解决方案应对汽车电气化挑战

为了减少排放，包括欧盟和美国在内的世界各国政府已对内燃机提出了强制的燃油经济性标准。这些举措需要技术方面的创新进步，因而推动对提高燃油效率的需求，但这会增大设计团队的负担，并可能影响开发循环时间。

着其中涉及的重点领域是开发相关战略，以减少对车辆发动机的负载。有数据表明，在汽车消耗的所有燃油中，只有15%的能量用于在道路上驱动车辆，发动机和动力传动系统低效率造成很大的能量浪费。因此，减轻负载能让发动机更高效的工作，因此有利于减少燃料消耗。我们面临的挑战是在提供相同或更高性能的同时，保持或改善整体驾驶体验。为了实现此目标，对汽车电气化的需求不断提高，其中包括使用电机代替传统的皮带传动系统。为此，全球汽车市场中的电机应用正以 4.7% 的年复合增长率 (CAGR) 增长。 具体而言，汽车应用的直流无刷电机（BLDC）市场预计超出其他类型电机增长率的两倍，从 2014 年到 2019 年，CAGR 达到 6.3%。

利用电气解决方案改善这些系统为一级制造商带来了新挑战，这些新创新需要增加员工数量和开发时间。设计师也正在谋求缩短开发周期，同时保持高性能目标应用的技术途径。因此，BLDC 电机控制的市场份额正在逐步增加。例如，通常采用皮带传动的汽车水泵已经过渡到电机。这是起停系统的需求，由此可提高效率并减少排放。为了保持发动机冷却剂循环，使用电机替换皮带传动泵。其他受发动机起停系统影响而需要转换为BLDC电机的应用包括液压和油泵等等。

新一代集成有复杂交流算法的电机驱动器 IC 简化了 BLDC 电机控制系统的工程设计。Allegro MicroSystems, LLC 等公司已经开发出成熟算法，用于传感器和无传感器 BLDC 电机的梯形和正弦控制，因此工程师不再具有编写和验证软件的困难，帮助其满足紧迫的时间要求。

图 1：Allegro 专有算法能够缩短客户设计和验证时间。

在众多 Allegro 高级电机驱动器中，换向算法（commutation algorithm）已经集成到了 IC，易用使用的软件 GUI 通过 USB 将参数传递给片上 EEPROM，供片上算法使用。这使没有软件编程经验的工程师可以设计并验证电机系统，打破了软件开发和验证耗时的任务瓶颈。这种创新还可以降低微控制器的工作负载，可以让开发者使用低功率（低成本）的MCU器件。对于一些应用，甚至可以取消微控制器，进一步节省成本。

Allegro能够提供A4960和A4962等高度集成的无传感器BLDC驱动器，这些器件集成有片上无传感器梯形换向算法以及高功率栅极驱动器，以增强外部逆变器桥电路。高集成度功能通常可由到微处理器编程，可以使这些器件通过集成闭环速度或力矩控制来实现独立运行。全面的诊断反馈可发送给电子控制单元 （ECU），提供有关同步、过压、欠压或 MOSFET 短路条件等信息。通过PWM输入发送故障诊断可以实现单线操作。

多功能算法提供丰富的编程参数，只需在片上 EEPROM 内修改参数，就可以使工程设计为不同的产品重新使用硬件等资源。因此，Allegro 可编程电机驱动器易于使用，并可重复用于多种电机、负载和其他应用。高集成度 IC 可与 Allegro 编程工具一起使用，简化工作流程，并缩短设计周期，促进客户创新。这些解决方案使制造商通过更高的电气化来满足严格的燃油经济性要求，同时为最终客户提供更高的性能。

图 2：Allegro 软件能够设置参数并直接将其加载至 EEPROM，实时评估变化。

展望未来，自动驾驶汽车的发展趋势将继续推动车辆电气化程度的不断提高。市场分析公司IHS Automotive 预计，到 2025 年，自动驾驶汽车销量将接近 60 万辆。此外，IHS预计，2025～2035年之间，自动驾驶汽车销量的年复合增长率 (CAGR) 将达到43%，到2035年接近 2100 万辆。这种高速增长将刺激电机控制应用的不断增加，系统集成将不断促使设计师寻找创新解决方案。自动驾驶汽车需要集成冗余系统，以便能够更好地帮助消费者应对安全问题，汽车将为驾驶员做出更多决策，或借助一些新的功能，可以完全不用驾驶员参与决策流程。

Allegro MicroSystems, LLC等公司正在制造并不断开发满足 ISO 26262 安全标准的未来产品。 ISO 26262 标准定义了汽车安全完整性等级 (ASIL) 包括的相关要求，其中包括涉及公路汽车安全相关电子系统的开发流程和设计。这些标准需要集成电路元件供应商将更多功能集成到现有的解决方案，并要求器件能够运行诊断和更新状态的通信。这些创新产品能够提供片上监控和验证功能，从而帮助工程师简化其设计，缩短设计周期。

随着汽车市场不断创新，以满足对改善性能和提高燃油经济性的需求，再加上自动驾驶汽车市场的未来预期发展，电机系统将持续发挥越来越大的作用，成为替代机械系统的更高效解决方案。因此，设计工程师需要利用先进的电机和相关产品，简化设计流程，同时为客户提供更多增值功能，以最终实现具有成本效益竞争力的产品。Allegro MicroSystems, LLC认识到这种需求，并提供业界领先的创新产品，满足汽车市场未来的严格要求。