封裝與電路集成化提升微混汽車的排放優(yōu)勢
要點
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/196293.htm1.當汽車不運動時,關閉內(nèi)燃機引擎,這是一種減少燃料使用和排放的有效方法。
2.起/停系統(tǒng)的實現(xiàn)可以采用雙電池方式,或用一只電池和升壓轉換器,能量存儲在一只電感中。
3.要考慮的問題包括:功耗、瞬變、數(shù)據(jù)與時鐘的變形,以及對噪聲的抑制能力。
4.有專門的電池功率開關,可在引擎起動時,將起動機和主電池與輔助電力系統(tǒng)斷開。
汽車的起動/停止操作可在汽車臨時停車時關閉引擎,從而減少怠速空轉,這個簡單的概念可以延伸為提高燃料經(jīng)濟性和減少排放。在2011年全球生產(chǎn)的大約8千萬輛汽車中,ICE(內(nèi)燃機)系統(tǒng)仍然是主流的汽車推進技術。不過,全球趨勢是努力使平衡倒向替代品。一方面,汽油的價格一直居高不下;另一方面,全球的強制性政府排放標準正日益嚴格。
在歐洲,汽車二氧化碳排放是歐盟與汽車制造商之間的志愿協(xié)議,但一直在推動監(jiān)管,因為總體性能已經(jīng)運離了志愿目標。同時,歐6標準已排在今后幾年的日程上,它要求大大減少氮氧化物的排放。這些進展加劇了汽車制造商面臨的挑戰(zhàn),他們要努力去遵守這些新的標準。
顯然,降低燃料消耗是滿足新嚴格要求的一個關鍵。為此,在各種車型(微混合、輕度混合動力、全混合動力,以及插電式,還有全EV車)中,今后10年的HEV市場將出現(xiàn)爆炸。要滿足2020年對二氧化碳排放的目標,采用HEV和EV方式是關鍵。
據(jù)研究公司Yole Développement的預測,這十年中,對HEV/EV的聯(lián)合需求將有31%的復合年增長率,到2020將年增長到5千萬臺車,或當年汽車產(chǎn)量的大約一半(圖1)。分析家預計,微混合型車將占其中的大多數(shù)。
圖1,預計從現(xiàn)在到2020年,HEV/EV需求的增長率將達年均31%的速率(Yole Développement提供,2011年8月)。
混合類型
微混合體系與全混合或插電混合體系之間的主要區(qū)別在于,微混合車沒有用于驅動汽車的電力傳動系統(tǒng)。微混合車的起/停系統(tǒng)會以關斷和重啟ICE的方法,減少引擎處于怠速的時間,例如當汽車等待紅燈或堵車時。輕度混合除了起/停功能以外,還有一個可再生剎車系統(tǒng)。與傳統(tǒng)汽車的油耗相比,從這些技術中獲得的燃料經(jīng)濟性數(shù)值通常在5%~10%之間(表1)。
現(xiàn)在有各種起/停系統(tǒng)。有一種是超級起動機,它使用一個堅固的直流起動機,并有電池管理系統(tǒng)。對最終用戶來說,超級起動機以平均80美元的低價格,占有了約三分之二的起/停系統(tǒng)市場。采用這一技術的汽車商包括BMW。
另一種起/停系統(tǒng)是BAS(皮帶傳動交流起動機),它采用了一個DC-AC轉換器,平均功率通常在1.5kW~3kW范圍內(nèi)。這類系統(tǒng)幾乎沒有聲音,提供的引擎重起時間可低至400ms。BAS系統(tǒng)的最終用戶價格估計為300美元,可用于很多中價位汽車。
最后,對于可影響普通起/停系統(tǒng)運行的極寒氣候條件,可以采用一種雙電池方案或DC-DC升壓方案,以保持汽車的電壓。
雙電池
在典型的雙電池技術中,當ICE在運行時,電源開關Q1保持接通,因此負載完全由主電池及一只交流電機供電(圖2)。當汽車停車時,ICE關閉,主電池成為負載的主要電源。當引擎重新起動時,主電池必須為起動電機提供一個瞬時電流高達1000A的電壓,而在主電池端子上引發(fā)的瞬時壓降可低至6V。
圖2,微混系統(tǒng)中的雙電池切換技術采用了一只輔助電池,用于為起/停工作提供大的起動電流。在起動時,Q1將主電池與功率電路斷開,而由輔助電池提供正確的電壓。
為防止因電池起動時的瞬態(tài)事件造成供電電路的關斷,控制器會給Q1發(fā)送一個關斷信號,切斷主電池與負載的連接。然后由輔助電池為負載供電,維持電池電壓。在引擎成功起動,發(fā)電機恢復工作以后,Q1導通,系統(tǒng)重新回到汽車行駛模式。
電源開關Q1和控制器亦用作一個反向電池保護電路的一部分。如果主電池反接,就一直關斷,因為沒有來自控制器的信號。它通過終結反向電流路徑而保護負載的電路。
dc- dc升壓
采用dc-dc升壓轉換器的方法與輔助電池近似(圖3)。當引擎重新起動時,旁路開關Q1將主電池與負載切斷,而一個dc-dc轉換器則在起動期間為負載提供升高后的電壓。
圖3,微混系統(tǒng)中的dc-dc升壓轉換器將能量存儲在轉換器的電感中。這里升壓轉換器(虛線框內(nèi))的功能等同于雙電池系統(tǒng)中的輔助電池。
dc-dc升壓轉換器包括一只電感,兩只功率開關(Q2和Q3),以及一個輸出電容。當Q2導通時,所有能量都存儲在電感中。此時Q3關斷。然后,當Q2關斷時,電感將能量通過Q3輸送給負載。主電池上的電壓與負載端子上的電壓決定了Q2的占空比。PWM控制器使這種同步dc-dc升壓轉換器工作在連續(xù)導通模式,以維持負載端子上的電壓。
微混汽車的例子
國際整流器公司( IR ) 的AUIRF1324S-7P表面安裝MOSFET用作電池開關,可提供低至1mΩ的最大導通電阻,以及高達240A的輸出電流。對于通孔封裝的要求,該公司提供采用傳統(tǒng)TO-262封裝的AUIRF1324L,最大導通電阻為1.65mΩ。
TO - 262 封裝的寬引線AUIRF1324WL功率MOSFET可以將最大導通電阻減少約20%。較寬引線的封裝意味著MOSFET源端子有更多的面積可以容納內(nèi)部打線。較低的導通電阻以及封裝內(nèi)改進的打線,共同將最大漏極電流額定值提高了大約30%。
所有24V 1324系列的MOSFET都適合用于電池開關應用。IR公司亦提供40V的汽車級MOSFET,其導通電阻低至1.25mΩ。這些產(chǎn)品都適用于dc-dc轉換器應用。
AUIR3240S是一款汽車級的高側MOSFET驅動器,用于起/停應用中的電池功率開關(圖4)。高度集成的升壓轉換器專門為起/停系統(tǒng)而設計,它需要一個板網(wǎng)穩(wěn)定器,當引擎起動時,用一只功率開關將起動機和主電池與輔助電氣系統(tǒng)斷開。AUIR3240S可以驅動多只并聯(lián)的MOSFET,從而獲得非常低的導通電阻,耗電不到50μA。器件輸出端提供15V,輸入電壓范圍寬達4V~36V。AUIR3240S還有對輸出電流的診斷功能,并有一個熱傳感器接口,可以獲得強健的設計。
圖4,雙電池系統(tǒng)可以使用高集成度AUIR3240S功率開關高側MOSFET驅動器中的板網(wǎng)穩(wěn)定器。當引擎起動時,功率開關將起動機和電池與輔助系統(tǒng)斷開。
微混型起/停系統(tǒng)的不斷進步需要各種解決方案,如降低起動壓降,起動機中集成更多電子設備,以及電池技術的進一步發(fā)展。功率電子供應商與汽車商正在把各個部件落實到位,以得到必要的進展。
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