电机节能技术让电动汽车更环保

作者：Doctor M

自《巴黎协定》推行签署以来，全球经济脱碳已成共识。而在全球石油消耗的总量中，交通运输占据了10%以上，其中公路交通为主要占比。因此推动传统燃油汽车向新能源汽车转型，是实现节能减排的重要途径之一。据IHS预测，要达到2050年净零排放的目标，2030年汽车电气化的占比就应达到60%以上。

图1：净零排放需求推高了轻型车辆中xEV的占比（图源：IHS）

电驱能效提高，实现更长续航

虽然当前电动汽车的发展获得了来自“双碳”政策的推动，但大部分消费者仍面临着里程焦虑的困扰，因此电动汽车尚不能全面替代燃油车成为出行首选。

要快速实现汽车行业电气化转型，电动汽车需要达到与燃油车一致的驾乘里程，这其中涉及到了充电、电池管理和电机驱动等多项技术发展。从充电方面来看，充电速度需要进一步提升，超充站、换电站等基建要跟得上；从电池方面来看，电池的容量、充放电效率要进一步提高；从电机驱动方面来看，整体驱动系统的能效也要进一步提高。

图2：来自韩国现代汽车统计表明，续航里程和充电体验仍是消费者选购EV时最关心的参数（图源：现代汽车官网）

一辆电动汽车最为重要的构成就是“三大电”，即电池、电机和电驱系统。其中电机是构成电动汽车动力系统的核心部件，是其行驶中的执行结构。而进行主电机控制的主驱逆变器（Traction Inverter），堪称电动汽车的心脏，它负责将电池能量转换成控制速度和扭矩的动力。

主驱逆变器和其所控制的电动机的响应速度将会直接影响驾驶感受，决定了汽车行驶的主要性能指标。不同的控制和驱动特性调教，可以为不同类型车辆带来不同驾驶表现。如果电机控制做得不够好，动力系统效率会大幅降低，甚至电机也容易发热损坏。

图3：电动汽车“三大电”（图源：Silicon Mobility）

扭矩和电机尺寸成正比，而功率决定了电机扭矩和速度。在不影响功率水平的情况下，要想追求汽车整体的续航设计目标，延长行驶里程，同时减小电气尺寸和重量，就只能提高转速。这意味着牵引电机需要以更高速运行（>30,000 rpm），这也就对牵引逆变器提出了更高的要求，需要实现更快速感测和处理。

典型的主驱逆变器方案中包括控制模块、驱动器、功率变换器以及多种传感器。控制模块负责接收驾驶者给出的加速减速等指令，将其转换成驱动器能够接收的驱动信号；驱动器接收来自控制器的指令，将其转换成对逆变器中可控硅的通断指令；功率变换器的部分主要是由逆变器构成，接收到驱动器的信号后，对电机的电流电压进行控制。另外，驱动器除了驱动之外，还作为保护装置，提供过压、过流、故障监测等保护功能。而功率变换部分，则可根据不同需求，选择IGBT或SiC方案。

图4：典型主驱逆变器方案由控制器、驱动电路和功率级组成（图源：安森美）

近年来随着技术发展，追求高能效成为了电驱设计的关键。牵引逆变器的设计趋势包括：采用更高算力芯片和更为先进的控制算法；使用SiC MOSFET作为功率级的开关晶体管；使用高压800V电池和多子系统集成以获得高功率密度。

通过精准电流传感器，结合智能MCU和先进控制算法可以让电机控制回路准确性提升，从而减少延迟并提升效率；SiC功率器件的开关频率比IGBT更高，因此可以将更多电池输入转化为可用的电机输出，并且改善了开关损耗、传导损耗和导热系数，逆变器体积也可以做到更小，实现更高的能效。

从更高的整车系统层面的考虑，业界也正在推进将动力系统集成，即将车载充电器、DC/DC 转换器和主驱逆变器等独立系统组合到单个域控制器下，实现单个紧凑机械外壳中的统一集成，从整车的角度提升功率密度。

图5：逆变器采用SiC相比IGBT能效更高（图源：Institute of Electrical and Electronics Engineers）

选择合适器件，实现高效电驱设计

从燃油车迈向电气化，芯片在汽车中的作用更为重要。为实现电机的高能效设计目标，就需要选择高性能的器件。

电机控制器

电机控制的选择上，给大家推荐安森美（onsemi）的LV8907UW BLDC电机控制器，该器件在贸泽电子上的料号为LV8907UWR2G。这是一款高性能、无传感器三相器件，设有集成式栅极驱动器和两级电荷泵。该器件可为各种超低RDS(ON)型外部N-MOSFET提供所需的栅极电流，并具有过流、过压、短路、欠压及过热等保护特性。工作电压范围为5.5V至20V，并采用梯形或正弦反EMF（电动势）反馈。

图6：LV8907UWR2G框图（图源：贸泽电子）

LV8907UW BLDC电机控制器支持开环和闭环速度控制，设有用户可配置的启动、速度设置以及比例/积分（PI）控制系数，非常适合用于各种电机和负载组合。LV8907具有高集成度（内置用于为外部电路供电的线性稳压器）、看门狗定时器以及本地互联网络（LIN）收发器。LV8907采用紧凑的48引脚SPQFP48封装，提供极为小巧的解决方案尺寸。

另外针对步进电机的应用，可以选择Toshiba的TB9120AFTG汽车步进电机驱动器，该器件在贸泽电子上的料号为TB9120AFTG(EL)。这是一款恒流、两相、双极步进电机驱动器，具有时钟输入接口和PWM恒流控制系统，适合用于各种使用步进电机的常见汽车应用。该产品支持全步进至1/32步进可选激励模式，实现了更低的电机噪声和更流畅的控制。

栅极驱动器

栅极驱动器的选择上给大家推荐安森美的LV8968BBUW栅极驱动器，该器件在贸泽电子上的料号为LV8968BBUWR2G。这是一款三相BLDC/PMSM前置驱动器，集成了相位电压检测和逻辑电平FET兼容性。该栅极驱动器为外部电源桥提供400mA栅极电流，支持低电阻功率FET和逻辑电平FET。

图7：LV8968BBUW框图（图源：贸泽电子）

LV8968BBUW栅极驱动器具有可编程线性稳压器、快速电流检测放大器和支持微控制器的窗口看门狗。该栅极驱动器具有宽工作范围，符合AEC-Q100标准，非常适合用于汽车应用。LV8968BBUW栅极驱动器还具有适用于ISO26262应用的保护和监控特性。

为了更快地进行栅极驱动器的评定，工程师们也可以考虑直接选择相应的评估板。在这里给大家推荐安森美的LV8968BB评估板，这是一款适用于8V至25V应用的通用汽车三相栅极驱动器，该评估板在贸泽电子上的料号是LV8968BBGEVB。该评估板配有各种可选外设，支持实现从简单的无传感器BEMF换向到复杂的磁场定向算法等各种电机控制。为方便和电机控制器进行通信，该评估板设有用于连接微控制器的接口和用于Arduino DUE的插入式接口。

图8：LV8968BB实物图（图源：贸泽电子）

除上述驱动器件外，其他晶体管的选型也应仔细考量。针对12V至48V电池系统的各种汽车应用，可以选择东芝的汽车级N/P沟道SSMx MOSFET，该系列实现了高水平的低导通电阻，因此可以进一步降低能量损耗。该系列在贸泽电子上给大家推荐的料号为SSM3J145TU,LXHF。

此外，还可以通过使用高集成度的元器件来进一步缩小系统尺寸，提升系统整体功率密度。东芝的RN汽车用内置偏置电阻型晶体管，针对开关、逆变器电路、接口连接和驱动器电路应用优化。通过内部集成偏置电阻，从而进一步减少了外围元件。该系列在贸泽电子上给大家推荐的料号为RN2101MFV,L3XHF(CT。

以上所有的元器件，均可在贸泽电子的官网获取信息并实现采购。作为知名的电子元器件分销商，贸泽电子长期关注汽车电气化转型，为广大工程师提供广泛的车规级芯片选择。

总结

做好电机控制是电动汽车实现高续航、高性能驾乘体验的关键要素。为了实现更高的功率密度，行业已经推进采用SiC MOSFET、800V电池系统和动力系统集成等技术路线，而这些新技术的推进，也对工程师提出了新的设计挑战。

选择先进的器件、模块和方案是实现高效电机驱动设计的关键。贸泽电子提供丰富的电机驱动相关器件，助力碳中和之路上的电气化转型。