Seit Drei

Die Elektrofahrzeugindustrie (EV) reitet auf einer weiteren großen Welle. Diese Fahrzeuge werden nicht länger als Modeerscheinung der Verbraucher wahrgenommen; Regierungen üben nun Druck auf eine umfassende Elektrifizierung der Straße aus. Beispielsweise schreiben sowohl Großbritannien als auch Kalifornien bis 2035 emissionsfreie Fahrzeuge vor.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, optimieren EEs Elektrofahrzeuge – und insbesondere Mild-Hybrid-Elektrofahrzeuge (MHEVs) – kleiner und leichter, um sie erschwinglicher zu machen.

Texas Instruments hat dieses Problem mit seinem neuesten Produkt angegangen, einem hochintegrierten 48-V-Motortreiber, der die Leiterplattenfläche deutlich reduzieren soll. Wir haben mit Kannan Soundarapandian, Manager der Motor Drives-Geschäftseinheit von TI, gesprochen, um aus erster Hand mehr über die neue Technologie zu erfahren.

Die wohl beliebteste Form von Elektrofahrzeugmotoren ist der Dreiphasen-Induktionsmotor.

Ein Drehstrommotor ist eine Art Elektromotor, der aus zwei Hauptkomponenten besteht: einem Rotor und einem Stator. Der Rotor ist der Teil des Motors, der sich tatsächlich dreht, während der Stator der Teil des Motors ist, der den Rotor dreht. Der Stator selbst besteht aus drei Spulenpaaren, die gleichmäßig um den Rotor verteilt sind.

Der Motor wird „dreiphasig“ genannt, weil er von drei Wechselstromquellen angetrieben wird, die absichtlich zueinander phasenverschoben sind und jeweils als „Phase“ bezeichnet werden. Jedes der Statorspulenpaare ist an eine Phase angeschlossen und erzeugt aufgrund der Phasenunterschiede ein kontinuierlich rotierendes Magnetfeld, das sich um den Stator dreht.

Dieses sich ändernde Magnetfeld erzeugt induktiv einen beweglichen Strom im Rotor, der dem Feld des Stators nacheilt. Diese Verzögerung erzeugt eine Zugkraft auf den Rotor und verursacht die Rotation, die ein EV bewegt.

Während Dreiphasenmotoren für Elektrofahrzeuge eine hohe Effizienz und Leistung bieten, sind sie nicht ohne Nachteile. Wie Soundarapandian erklärte, benötigt das System zum Antrieb eines Dreiphasenmotors drei einzelne Sätze von Motortreibern und zugehörigen Schaltkreisen.

„In einem typischen Motortreibersystem gibt es drei Phasen, Sie sollten sich also vorstellen, dass dieser (Schaltkreis) dreimal wiederholt wird. Und es gibt viele Komponenten“, erklärt er. „Es gibt Steuerschaltkreise, Widerstände, Dioden und auch einige der Sicherheitsfunktionen, die normalerweise extern implementiert werden.“

Wenn Sie diesen Kreislauf dreimal wiederholen, erhöhen sich Stückliste, Kosten und Fläche schnell. Darüber hinaus wird der Versuch, die Signalintegrität in einer bereits verrauschten Umgebung aufrechtzuerhalten, noch schwieriger, da das Routing immer eingeschränkter wird.

Die Lösung für dieses Problem liegt aus Sicht von Texas Instruments in einer höheren Integration, bei der alle externen Komponenten auf dem Treiber-IC untergebracht werden. Genau das hat sich das Unternehmen mit seinem neuesten Produkt, dem DRV3255-Q1, zum Ziel gesetzt.

TI berichtet, dass dieses Produkt der branchenweit erste dreiphasige 48-V-BLDC-Motortreiber ist, der eine aktive High-Side- und Low-Side-Kurzschlusslogik integriert und so die erforderlichen externen Transistoren und Steuerlogik effektiv eliminiert.

Was das Gerät so besonders macht, betonte Soundarapandian: „Es ist der Integrationsaspekt, bei dem wir eine große Anzahl externer Komponenten einbeziehen. Es ist die sauberste Stromversorgung in einem 48-V-System.“

Der neue IC soll die Leiterplattenfläche um bis zu 30 % verkleinern und gleichzeitig in der Lage sein, den Motor mit bis zu 30 kW Leistung zu versorgen. Das Gerät ist außerdem für 95 V ausgelegt und schützt so den IC vor hohen transienten Spannungsspitzen auf der 48-V-Schiene.

Der BLDC-Motortreiber ist mit einer aktiven Kurzschlusslogikfunktion ausgestattet und ermöglicht Designern die Implementierung von MOSFET-Verbindungen basierend auf den Systemanforderungen. Dies wiederum kann dazu beitragen, Überspannungen und weit verbreitete Systemausfälle am Fahrzeugmotor und anderen elektrischen Komponenten zu mildern. Der aktive Kurzschlussmodus wird durch die dynamische Fehlerreaktion des Geräts bei Überspannungsbedingungen automatisch aktiviert.

Eines der erklärten Ziele dieser Veröffentlichung ist nicht nur die Sicherheit, die sie den Fahrern in MHEVs bietet, sondern auch die Reduzierung der CO2-Emissionen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs.

Asif Anwar von Strategy Analytics erklärt: „Ein 48-V-System ist ein Schrittwechsel, den Erstausrüster (OEMs) umsetzen können, um Ziele rund um die Reduzierung von Emissionen zu erreichen und gleichzeitig Leistung für erweiterte Fahrerassistenzsystemfunktionen hinzuzufügen und stromhungrige Systeme zu verwalten.“ Lasten wie Heizung, Lüftung und Klimaanlage.“

Der AEC-Q100 Grade 0 BLDC-Motortreiber kann bis zum Automotive Safety Integrity Level (ASIL) D reichen. Aufgrund seiner hohen Ausgangsleistung können Fahrer schwerer Fahrzeuge schneller aus dem Stand beschleunigen.