통합 FOC 모터 제어 및 고급 센서를 사용하여 EV 주행 거리 불안감 감소 및 안전성 향상

전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)(xEV라고도 함) 시스템 설계자는 주행 거리에 대한 불안감과 차량 탄소 발자국을 줄이기 위해 충전당 더 많은 마일을 제공해야 한다는 부담감에 계속 사로잡혀 있습니다. 그와 동시에 더 높은 수준의 차량 자율성, 사용자 기능 및 안전성을 충족하기 위해 더 많은 모터, 센서, 관련 전자 장치, 프로세서 및 소프트웨어를 추가해야 하며, 또한 비용도 절감해야 합니다.

문, 창문, 배터리 냉각 팬, 라디에이터 팬, 펌프 및 기타 기능을 위한 모터는 무게를 추가할 뿐만 아니라 잡음과 전력 소비를 최소화하면서 원활한 응답을 보장하기 위해 자속 기준 제어(FOC)와 같은 고급 제어 알고리즘이 필요하므로 특히 민감한 문제입니다. 전체 시스템 설계 작업은 ISO 26262 기능 안전 요구 사항 및 AEC-Q100 품질 표준도 충족해야 하기 때문에 복잡합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 더 높은 수준의 하드웨어 및 소프트웨어를 제공하고 다양한 기능의 설계 및 통합을 단순화하는 동시에 부품 수와 전체 설치 공간을 줄이는 다양한 자동차 인증 장치로 전환할 수 있습니다.

이 기사에서는 EV 및 HEV 설계자가 직면한 문제에 대해 살펴봅니다. 그 다음 효율적인 EV/HEV 모터 설계를 시작하기 위해 고집적 FOC 브러시리스 직류(BLDC) 모터 컨트롤러 및 관련 평가 기판을 사용하는 방법을 소개하고 보여줍니다. 또한 Allegro MicroSystems라는 단일 소스에서 전류, 3D 위치, 속도, 방향을 모니터링하는 다양한 센서를 제공합니다.

EV가 직면한 비용, 안전 및 주행 거리에 대한 불안감 문제

xEV 설계자가 해결해야 하는 문제는 차량 비용, 안전성 및 신뢰성 등 매우 다양한데, 특히 높아지고 있는 차량 자율성 수준, 충전당 주행 거리(주행 거리 불안감) 및 배터리 팩 수명을 고려할 때 더욱 그렇습니다.

안전과 신뢰성을 지원하려면 ISO 26262에 정의된 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 기능의 요구 사항을 충족하는 고급 센서가 필요합니다. 비용과 주행 거리를 고려하여 설계자들은 효율성을 높이고 케이블 무게를 줄이기 위해 최대 800볼트의 더 높은 전압 전원 레일로 전환했으며, 동시에 배터리 팩 설계의 개선 사항도 활용했습니다.

예를 들어, 더 향상된 배터리 열 관리는 주행 거리와 배터리 수명을 늘리는 데에 기여했으며, EV 및 HEV 트랙션 인버터의 향상된 냉각은 전력과 에너지 밀도를 높이고 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.

더 높은 수준의 반도체 장치 통합은 무게와 공간을 줄이는 동시에 더 많은 기능을 허용하지만, 효율성을 최적화하려면 냉각 팬에 필요한 BLDC 모터를 엄격하게 제어해야 합니다. 이를 달성하려면 모터 컨트롤러 게이트 구동기에 FOC와 같은 고급 모터 제어 알고리즘을 포함하는 것이 좋습니다.

고성능 냉각

FOC는 전기 모터가 전체 속도 범위에서 원활하게 작동하게 하고 시동 시 최대 토크를 생성할 수 있습니다. 또한 FOC는 고성능 동작 응용 제품에서 정밀한 제어에 유용한 기능인 빠르고 원활한 모터 가속 및 감속을 제공할 수 있습니다. FOC는 최대 500와트의 고성능 BLDC 모터 범위를 위한 고효율, 초소형 및 저잡음 저전압(LV)(50볼트 DC 이하) 구동기를 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 xEV 고전압(HV) 배터리 냉각 팬, 난방 환기 및 공조 시스템(HVAC) 송풍기, HV 트랙션 인버터 냉각 시스템용 액체 펌프에 사용됩니다(그림 1).

그림 1: FOC 모터 컨트롤러는 LV 배터리 전원을 사용하여 xEV HV 배터리 및 HV 트랙션 인버터를 냉각할 수 있습니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

기존 설계에서 FOC는 마이크로 컨트롤러를 사용하여 외부 센서로 구현됩니다. 직접 FOC라고 하는 이러한 설계는 복잡할 수 있으며 모터의 작동 매개변수를 측정하기 위해 외부 센서에 의존하기 때문에 동적 반응의 감소로 인한 문제가 있습니다.

외부 센서를 제거하면 FOC 성능이 향상되고 제어 비용이 절감됩니다.

누락된 센서의 정보는 FOC를 구현하는 데 여전히 필요하며 모터 권선의 역기전력(BEMF)에서 모터 단자의 전압 및 전류로부터 추출할 수 있습니다. 하드웨어는 비교적 간단한 반면, 센서리스 FOC를 구현하려면 더 복잡한 제어 소프트웨어가 필요합니다.

센서리스 FOC 알고리즘을 활용하면 최고의 효율성과 동적 반응을 달성하는 동시에 음향 잡음을 최소화할 수 있습니다. 또한 모터가 정지되고 BEMF 정보를 사용할 수 없을 때 강력한 개루프 시동을 제공합니다.

자동차 냉각 팬 및 펌프를 위한 손쉬운 FOC

대부분의 FOC BLDC 구동기는 소프트웨어 개발자가 알고리즘을 작성하여 마이크로프로세서 또는 마이크로 컨트롤러에 포팅해야 하지만, Allegro MicroSystems의 A89307KETSR-J는 센서리스 FOC 알고리즘을 게이트 구동기에 직접 통합합니다. 5개의 외부 수동 ​​부품(커패시터 4개 및 저항기 1개)으로 A89307KETSR-J는 또한 부품 명세서(BOM)를 최소화하고 안정성을 개선하며 설계 복잡성을 줄입니다(그림 2).

그림 2: 일반적인 A89307KETSR-J xEV 배터리 팩 냉각 팬 응용 회로에 5개의 외부 부품(커패시터 4개 및 저항기 1개)이 표시됩니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J 게이트 구동기는 5.5VDC ~ 50VDC에서 작동합니다. 통합 FOC 알고리즘에는 일정한 토크와 전력은 물론 개루프 및 일정한 속도의 작동 모드가 포함됩니다. A89307KETSR-J에는 펄스 폭 변조(PWM) 또는 클록 모드 속도 제어, 제동 및 방향을 위한 입력과 오류 조건 및 모터 속도에 대한 출력 신호가 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: A89307KETSR-J의 내부 제품 구성도에는 FOC 컨트롤러(중앙), PWM 또는 클록 모드 속도 제어(SPD), 브레이크(BRAKE) 및 방향(DIR) 입력(왼쪽), 오류(FAULT) 및 모터 속도(FG) 출력(역시 왼쪽)이 표시됩니다. (이미지: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J는 외부 낮은 온스테이트 저항 N채널 전력 MOSFET을 구동하는 데 최적화되어 있습니다. 전환 중에 소비 전력을 최소화하기 위해 MOSFET을 신속하게 '켜기' 및 '끄기'하는 데 필요한 큰 피크 구동 전류를 공급하여 작동 효율성을 개선하고 열 관리 문제를 줄일 수 있습니다. 여러 게이트 구동 레벨을 사용할 수 있으므로 설계자는 전자파 장해(EMI) 방출과 효율성 간의 균형을 최적화할 수 있습니다. 빠른 MOSFET 턴온은 스위칭 손실을 감소시키지만 EMI를 증가시키는 반면, 느린 MOSFET 턴온은 EMI를 감소시키지만 스위칭 손실을 증가시키고 효율을 감소시키는 트레이드오프가 있습니다.

모터 속도는 PWM, 아날로그 또는 CLOCK 입력을 통해 제어할 수 있습니다. 폐루프 속도 제어는 분당 회전수(RPM) - 클록 주파수 비율을 프로그래밍할 수 있는 옵션입니다. 센서리스 시동 제어에는 순방향 및 역방향 사전 회전(윈드밀) 감지 및 동기화가 포함되며, A89307KETSR-J가 다양한 모터 및 부하 구성에서 작동이 가능하도록 지원합니다.

Allegro MicroSystems의 비역방향 시동 알고리즘은 시동 성능도 향상시킵니다. 전원을 켜면 모터가 역진동이나 흔들림 없이 올바른 방향으로 시작됩니다. Soft-On-Soft-Off 기능은 '온' 명령(윈드밀 조건)으로 모터로 흐르는 전류를 점진적으로 증가시키고, '오프' 명령으로 모터에서 나오는 전류를 점진적으로 감소시켜 음향 잡음이 더욱 감소됩니다(그림 4).

그림 4: Soft-On(상단) 및 Soft-Off(하단)에 대한 A89307KETSR-J 전류 파형으로 인해 모터 작동이 원활해지고 잡음이 감소됩니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

A89307KETSR-J에는 모터 정격 전류, 전압, 속도, 저항 및 시동 프로파일을 설정하기 위한 I2C 인터페이스가 포함되어 있습니다. I2C는 또한 온/오프 및 속도 제어는 물론 속도 피드백 및 오류 신호를 구현합니다.

센서리스 FOC 평가 기판

설계자는 APEK89307KET-01-T-DK 평가 기판과 관련 소프트웨어를 사용하여 A89307KETSR-J를 사용하는 FOC 기반 BLDC 모터 구동 개발을 가속화할 수 있습니다(그림 5). 이 기판에는 모든 입출력 핀에 액세스할 수 있는 A89307KETSR-J와 BLDC 모터를 구동하기 위한 완전한 3상 전력 스테이지가 포함되어 있습니다. 설계자는 간단한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 FOC 구동 매개변수를 선택하고 온칩 EEPROM에 로드할 수 있습니다. A89307KETSR-J의 최소 BOM 요구 사항은 모터 하우징 내부에 맞는 드라이브 설계를 가능하게 하여 솔루션의 크기를 더욱 줄여줍니다.

그림 5: APEK89307KET-01-T-DK 평가 기판에는 A89307KETSR-J(U1, 기판 왼쪽 중앙)와 BLDC 모터를 구동하는 6개의 전력 MOSFET(오른쪽)이 있습니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

ADAS용 센서

xEV 시스템 설계자는 모터 구동, DC-DC 컨버터 및 인버터의 전류 레벨은 물론 스로틀 밸브 및 실린더의 회전 위치, 변속기 기어의 속도 및 방향을 감지하여 콤팩트하고 비용 효율적인 ADAS 기능을 구현해야 합니다. Allegro MicroSystems는 다음과 같이 다양한 ADAS용 센서 솔루션을 제공합니다.

전류 감지: ACS72981KLRATR-150B3은 설계자에게 경제적이고 정밀한 AC 또는 DC 전류 감지를 제공합니다. 이 고정밀 선형 홀 효과 전류 센서는 250kHz의 대역폭을 가지며 모터 제어, DC-DC 컨버터 제어, 인버터 제어, 부하 감지 및 관리에 사용하도록 설계되었습니다. AEC-Q100 인증 IC이며 응답 시간이 2마이크로초(µs) 미만으로 안전이 중요한 응용 제품의 과전류 오류를 신속하게 감지해야 하는 요구 사항을 충족합니다.

3D 위치 감지: Allegro MicroSystems의 A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC를 사용하여 스로틀, 밸브, 실린더 및 변속기 위치 감지를 위한 비접촉식 선형 및 회전식 3D 자기 위치 감지를 빠르게 구현할 수 있습니다. 이 장치는 수평 및 수직 평면에서 회전식 동작을 측정하고 좌우 또는 앞뒤로 선형 동작을 측정할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3D 위치 센서는 수평 및 수직 평면에서 회전식 동작을 측정하고 좌우 또는 앞뒤로 선형 동작을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

A31315LOLATR-XY-S-SE-10 센서를 사용하면 설계자는 비율계량 아날로그, PWM 또는 SAE J2716 단일 에지 니블 전송(SENT) 출력 형식 중에서 선택할 수 있습니다. 이 제품은 안전 관련 자동차 시스템의 ISO 26262 ASIL B(SOIC-8 패키지의 단일 다이) 및 ASIL D(TSSOP-14 패키지의 중복 이중 다이) 기능을 충족하도록 개발되었습니다.

속도 및 방향: ATS19520LSNBTN-RSWHPYU는 진동에 강한 차동 홀 효과 전송 속도 및 방향 기어 이 센서로, 순방향 및 역방향 감지에 사용할 수 있는 모델이 있습니다(그림 7).

그림 7: ATS19520의 표시된 'F' 변형은 기어 이가 핀 1에서 핀 3으로 지날 때 정회전을 측정하고(위), 기어 이가 핀 3에서 핀 1로 이동할 때 역회전을 측정합니다(아래). 'R' 변형은 반대 방향의 회전을 측정합니다. (이미지 출처: Allegro MicroSystems)

ISO 26262 ASIL B등급 센서는 진단 기능이 통합되어 있으며 xEV 구동 트레인에 사용하기에 적합합니다. 3핀 단일 인라인(SIP) 패키지에는 회전하는 자성체의 속도와 방향을 측정하는 통합 백 바이어스 자석과 전자기 호환성을 보장하는 통합 커패시터가 포함됩니다.

결론

전류 센서, 자기 위치 센서 및 회전 센서와 함께 통합된 센서리스 BLDC FOC 모터 드라이브는 더 긴 주행 범위와 더 낮은 탄소 발자국으로 효율적이고 안전한 xEV 설계를 가능하게 하는 핵심 부품입니다. FOC 모터 드라이브를 사용하면 특히 배터리 팩 및 트랙션 인버터에 대한 동적 응답이 개선되어 보다 효율적이고 조용한 냉각 시스템을 설계할 수 있습니다. 결과적으로, 고급 운전자 지원 시스템의 신뢰성 요구 사항과 ISO 26262의 기능 안전 요구 사항을 충족하는 xEV 개발을 위해 초소형의 정밀하고 에너지 효율적인 센서가 필수적입니다.

추천 자료

1. 차량 전기화를 위한 혁신적인 전류 감지
2. 장거리 전기 자동차를 위한 SiC 전력 소자의 효과적인 구현