Aanbevolen spoelkeuze voor automobielmotoraandrijfsystemen

Met de verdieping van de elektrificatie en intelligentie van voertuigen zijn motoren uitgegroeid tot kernkracht- en besturingscomponenten in voertuigen. Ze worden op grote schaal gebruikt in aandrijfsystemen (tractiemotoren voor voertuigen met nieuwe energie), carrosseriebesturingstoepassingen (motoren voor elektrisch bedienbare achterkleppen, raammotoren, stoelverstelmotoren) en hulpsystemen (motoren voor koelventilatoren, motoren voor elektrische stuurbijstand). Als de kernunit die de start/stop, snelheid en draairichting van de motor regelt, moet een automobiel motorsturingssysteem onder zware omstandigheden aan boord – zoals hoge temperatuur, trillingen, sterke elektromagnetische interferentie (EMI) en brede spanningsschommelingen – een efficiënte, stabiele en betrouwbare vermogensafgifte leveren. Als een kernpassieve component in motorsturingssystemen vervult de spoel essentiële functies zoals energieopslag, filtering, afsluiting (choking) en onderdrukking van stroompieken. De keuze ervan bepaalt direct de omzettingsrendement, bedrijfsstabiliteit, elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en levensduur.

• Werkingsprincipe van automobiel-motoraandrijfsystemen en de kernrol van spoelen

De kernfunctie van een automobiel-motoraandrijfsysteem is het ontvangen van commando's van de voertuigbesturingseenheid (VCU) of een lokale besturingseenheid, het omzetten van elektrische energie uit de boordvoeding in mechanische energie en het aandrijven van de motor om precies starten/stops, snelheidsregeling en voorwaartse/achterwaartse besturing te realiseren. Tegelijkertijd gebruikt het stroom- en snelheidsfeedbacksignalen om een gesloten-regelkring te implementeren en zo een vlotte en veilige motorkoppeling te garanderen. De schakeling bevat doorgaans een energiebeheermodule, een MCU-besturingsmodule, een vermogensaandrijfmodule, een stroom-/snelheidsdetectiemodule en een EMI-filtermodule.

Figuur 1. Blokdiagram van een motoraandrijfsysteem voor voertuigen met nieuwe energie

Andere voertuigmontageapparaten; Accu voor elektrische aandrijving; Hoogspanningsbesturingskast; Hoogspanningsgelijkstroom P/N; VCU; Laagspanningsaccu; Besturingsrelais; Zekering; Aandrijfmotor (DM); Driefasige stroomlijnen U/V/W; Signaallijnen (resolver, temperatuur); Motorbesturing (MCU); Waterpomp; Koelvloeistof; Radiator.

• • De rol van spoelen in de aandrijfcyclus

In de automobielindustrie worden motoraandrijvingen vaak bestuurd met PWM (pulse width modulation). Door schakelapparaten (MOSFET’s/IGBT’s) aan en uit te schakelen, wordt de uitgangsspanning en -stroom geregeld om de motortoerental en koppel te beheersen. Spoelen spelen een centrale rol in de aandrijfcyclus, voornamelijk op de volgende manieren:

Onderdrukken van stroompieken: Wanneer de motor start of stopt, van snelheid verandert of wanneer vermoelementen schakelen, ontstaan er momentane stroompieken. Deze pieken kunnen vermoelementen (MOSFETs/IGBTs) en driverchips belasten en kunnen zelfs leiden tot beschadiging van de componenten. De spoel beperkt de stroomveranderingsnelheid (di/dt) via zijn inductieve reactantie, waardoor stroompieken effectief worden onderdrukt, kerncomponenten in de aandrijfcyclus worden beschermd en de levensduur van de componenten wordt verlengd.

Gladstrijken van de motorstroom: PWM-regeling veroorzaakt rimpeling in de uitgangsstroom. Als deze stroom direct naar de motor wordt geleid, kan dat leiden tot vergrote trillingen, meer geluid en grotere wikkelverliezen. Door voortdurend energie op te slaan en vrij te geven, gladstrijkt de spoel de stroomrimpeling en maakt de stroom die naar de motor wordt gevoerd stabiel, wat de bedrijfsstabiliteit verbetert.

• • De rol van spoelen in vermogensbeheer en filtering

De voeding in automobiel-motoraandrijfsystemen is onderverdeeld in twee categorieën: boordgestuurde laagspanningsvoedingen (12 V/24 V) voor besturingsmodules en driverchips, en hoogspanningsvoedingen in voertuigen met nieuwe energie voor vermogensaandrijfmodules. Spoelen vervullen de volgende belangrijke functies bij stroombeheer en filtering:

DC-DC-omzetting: In laagspanningsvoedingscircuits is een DC-DC-step-down-omvormer nodig om de boordspanning van 12 V/24 V om te zetten naar de 5 V- en 3,3 V-niveaus die vereist zijn door MCUs en sensoren. Als kernenergieopslagelement van de DC-DC-circuit slaat de spoel energie op en geeft deze vrij, handhaaft de uitgangsspanningsstabiliteit en voorkomt spanningsfluctuaties die het normale functioneren van de besturingsmodule kunnen verstoren.

EMI-suppressie: Wanneer het motoraandrijfsysteem in bedrijf is, veroorzaakt het schakelen van vermogenscomponenten hoogfrequente storingen. Deze storingen kunnen via de voedingslijnen worden geleid naar andere elektronische systemen aan boord, zoals navigatie- of radiosystemen, waardoor hun normale werking wordt beïnvloed. Gemeenschappelijke-modus-afsluiters, samen met X- en Y-condensatoren, vormen een EMI-filtercircuit dat hoogfrequente storingen uit de voedingslijnen verwijdert, elektromagnetische straling onderdrukt en het effect van externe storingen op het motoraandrijfsysteem vermindert.

2. Inductorvereisten voor automobielmotoraandrijfsystemen

Automobiel-motoraandrijfsystemen worden vaak geïnstalleerd in zware omgevingen zoals motorkuipen en chassisgebieden, waar ze gedurende lange tijd blootstaan aan hoge temperaturen en vochtigheid, trillingen met hoge frequentie en sterke elektromagnetische interferentie. Ze moeten voldoen aan betrouwbaarheidseisen voor automobielgebruik en zich aanpassen aan brede spanningsschommelingen en sterke stroompieken, wat strenge eisen stelt aan de prestaties, constructie en betrouwbaarheid van de spoel.

• Temperatuurstabiliteit: Aangezien automobiel-motoraandrijfsystemen vaak geïnstalleerd worden in zware omgevingen zoals motorkuipen en chassisgebieden, moet de spoel functioneren binnen een temperatuurbereik van -40 °C tot 150 °C om prestatievermindering en verminderde regelnauwkeurigheid door temperatuurveranderingen te voorkomen.

• Lage verliezen en hoge efficiëntie: Aandrijfsystemen voor motoren werken continu, dus de koperverliezen (DCR-verliezen) en kernverliezen van de spoel moeten zo laag mogelijk worden gehouden. Vooral bij scenario's met hoge stroom verlaagt een lage verlies het totale temperatuurstijging van het systeem, verbetert de aandrijfefficiëntie, verlaagt het stroomverbruik aan boord en voorkomt prestatievermindering door oververhitting.

• Hoge verzadigingsstroom: Start-/stopgebeurtenissen van de motor en plotselinge belastingswijzigingen veroorzaken momentane hoge stromen. De spoel moet voldoende verzadigingsstroom (Isat) hebben om magnetische verzadiging onder piekstroombelasting te voorkomen. Magnetische verzadiging leidt tot een sterke daling van de inductiewaarde, uitval van de spoel en mogelijke schade aan vermoegelementen. Het wordt aanbevolen om ten minste een marge van 1,3× voor de verzadigingsstroom aan te houden en rekening te houden met verlaging van de specificaties bij hoge temperaturen.

• EMI-compatibiliteit: De spoel moet een goede afschermprestatie bieden om lekkage van het magnetische veld te verminderen, interferentie met gevoelige schakelingen binnen het aandrijfsysteem te voorkomen en elektromagnetische straling in de lus te onderdrukken, terwijl tegelijkertijd wordt voldaan aan de aan boord geldende EMC-eisen voor geleide en uitgestraalde emissies.

• Hoge Betrouwbaarheid: Inductoren voor automotive-toepassingen moeten de AEC-Q200-testen doorstaan om langdurige, betrouwbare en stabiele werking te garanderen. Tot de betrouwbaarheidstests behoren meer dan tien items, waaronder temperatuurcyclus-, opslag- bij hoge temperatuur-, vochtigheidstests bij hoge temperatuur, trilling- en mechanische schoktests, en soldeerbaarheidstests. Het CNAS-gecertificeerde laboratorium van CODACA kan op verzoek van de klant onafhankelijk de AEC-Q200-testen uitvoeren en testrapporten leveren.

3. Oplossingen van CODACA voor spoelen in motoraandrijfsystemen

1. Automotive-grade spoel met hoge stroomcapaciteit

In motoraandrijfssystemen worden hoogstroomvermogensinductoren voornamelijk gebruikt in DC-DC-omzetters en filtercircuits. De automobielkwaliteit hoogstroomvermogensinductoren van CODACA bieden lage verliezen en een hoge verzadigingsstroom, met een verzadigingsstroom tot 422 A en een bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot +155 °C, waardoor ze geschikt zijn voor complexe automotive-elektronische omgevingen.

2. Automobielkwaliteit gevormde vermogenskook

De automobielkwaliteit gevormde vermogenskook van CODACA maakt gebruik van magnetisch poederkernmaterialen met lage verliezen en innovatieve elektrodetechnologie om technische uitdagingen zoals spoelverplaatsing en productbarsten tijdens het vormgeven op te lossen. Hierdoor worden de totale inductorverliezen met meer dan 30% verminderd, wordt een bedrijfstemperatuur tot 170 °C ondersteund, wordt een vermogensefficiëntie tot 98% bereikt en wordt de betrouwbaarheid van motoraandrijfssystemen en de omzettingsefficiëntie van DC-DC-circuits effectief verbeterd.

3. Automobielkwaliteit staafinductor

CODACA beschikt over een ervaren R&D-team dat snel op maat gemaakte, automotive-kwaliteit staafinductoren kan leveren met verschillende kenmerken en structuren op basis van de eisen van de klant.

4. EMI-componenten

Gemeenschappelijke-modus-ontstoortransformatoren, kralen en andere magnetische componenten worden veel gebruikt in automotieve motoraandrijfsystemen en stroomfiltercircuits om storingen op signaal- en voedingslijnen te onderdrukken.