封裝與電路集成化提升微混汽車(chē)的排放優(yōu)勢(shì)
要點(diǎn)
1.當(dāng)汽車(chē)不運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)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(shí)現(xiàn)可以采用雙電池方式，或用一只電池和升壓轉(zhuǎn)換器，能量存儲(chǔ)在一只電感中。
3.要考慮的問(wèn)題包括：功耗、瞬變、數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的變形，以及對(duì)噪聲的抑制能力。
4.有專(zhuān)門(mén)的電池功率開(kāi)關(guān)，可在引擎起動(dòng)時(shí)，將起動(dòng)機(jī)和主電池與輔助電力系統(tǒng)斷開(kāi)。
汽車(chē)的起動(dòng)/停止操作可在汽車(chē)臨時(shí)停車(chē)時(shí)關(guān)閉引擎，從而減少怠速空轉(zhuǎn)，這個(gè)簡(jiǎn)單的概念可以延伸為提高燃料經(jīng)濟(jì)性和減少排放。在2011年全球生產(chǎn)的大約8千萬(wàn)輛汽車(chē)中，ICE(內(nèi)燃機(jī))系統(tǒng)仍然是主流的汽車(chē)推進(jìn)技術(shù)。不過(guò)，全球趨勢(shì)是努力使平衡倒向替代品。一方面，汽油的價(jià)格一直居高不下；另一方面，全球的強(qiáng)制性政府排放標(biāo)準(zhǔn)正日益嚴(yán)格。
在歐洲，汽車(chē)二氧化碳排放是歐盟與汽車(chē)制造商之間的志愿協(xié)議，但一直在推動(dòng)監(jiān)管，因?yàn)榭傮w性能已經(jīng)運(yùn)離了志愿目標(biāo)。同時(shí)，歐6標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)展加劇了汽車(chē)制造商面臨的挑戰(zhàn)，他們要努力去遵守這些新的標(biāo)準(zhǔn)。
顯然，降低燃料消耗是滿(mǎn)足新嚴(yán)格要求的一個(gè)關(guān)鍵。為此，在各種車(chē)型(微混合、輕度混合動(dòng)力、全混合動(dòng)力，以及插電式，還有全EV車(chē))中，今后10年的HEV市場(chǎng)將出現(xiàn)爆炸。要滿(mǎn)足2020年對(duì)二氧化碳排放的目標(biāo)，采用HEV和EV方式是關(guān)鍵。
據(jù)研究公司Yole Développement的預(yù)測(cè)，這十年中，對(duì)HEV/EV的聯(lián)合需求將有31%的復(fù)合年增長(zhǎng)率，到2020將年增長(zhǎng)到5千萬(wàn)臺(tái)車(chē)，或當(dāng)年汽車(chē)產(chǎn)量的大約一半(圖1)。分析家預(yù)計(jì)，微混合型車(chē)將占其中的大多數(shù)。
圖1，預(yù)計(jì)從現(xiàn)在到2020年，HEV/EV需求的增長(zhǎng)率將達(dá)年均31%的速率(Yole Développement提供，2011年8月)。
混合類(lèi)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(chē)沒(méi)有用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。微混合車(chē)的起/停系統(tǒng)會(huì)以關(guān)斷和重啟ICE的方法，減少引擎處于怠速的時(shí)間，例如當(dāng)汽車(chē)等待紅燈或堵車(chē)時(shí)。輕度混合除了起/停功能以外，還有一個(gè)可再生剎車(chē)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)汽車(chē)的油耗相比，從這些技術(shù)中獲得的燃料經(jīng)濟(jì)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(jí)起動(dòng)機(jī)，它使用一個(gè)堅(jiān)固的直流起動(dòng)機(jī)，并有電池管理系統(tǒng)。對(duì)最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，超級(jí)起動(dòng)機(jī)以平均80美元的低價(jià)格，占有了約三分之二的起/停系統(tǒng)市場(chǎng)。采用這一技術(shù)的汽車(chē)商包括BMW。
另一種起/停系統(tǒng)是BAS(皮帶傳動(dòng)交流起動(dòng)機(jī))，它采用了一個(gè)DC-AC轉(zhuǎn)換器，平均功率通常在1.5kW~3kW范圍內(nèi)。這類(lèi)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有聲音，提供的引擎重起時(shí)間可低至400ms。BAS系統(tǒng)的最終用戶(hù)價(jià)格估計(jì)為300美元，可用于很多中價(jià)位汽車(chē)。
最后，對(duì)于可影響普通起/停系統(tǒng)運(yùn)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(chē)的電壓。
雙電池
在典型的雙電池技術(shù)中，當(dāng)ICE在運(yùn)行時(shí)，電源開(kāi)關(guān)Q1保持接通，因此負(fù)載完全由主電池及一只交流電機(jī)供電(圖2)。當(dāng)汽車(chē)停車(chē)時(shí)，ICE關(guān)閉，主電池成為負(fù)載的主要電源。當(dāng)引擎重新起動(dòng)時(shí)，主電池必須為起動(dòng)電機(jī)提供一個(gè)瞬時(shí)電流高達(dá)1000A的電壓，而在主電池端子上引發(fā)的瞬時(shí)壓降可低至6V。
圖2，微混系統(tǒng)中的雙電池切換技術(shù)采用了一只輔助電池，用于為起/停工作提供大的起動(dòng)電流。在起動(dòng)時(shí)，Q1將主電池與功率電路斷開(kāi)，而由輔助電池提供正確的電壓。
為防止因電池起動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)事件造成供電電路的關(guān)斷，控制器會(huì)給Q1發(fā)送一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，切斷主電池與負(fù)載的連接。然后由輔助電池為負(fù)載供電，維持電池電壓。在引擎成功起動(dòng)，發(fā)電機(jī)恢復(fù)工作以后，Q1導(dǎo)通，系統(tǒng)重新回到汽車(chē)行駛模式。
電源開(kāi)關(guān)Q1和控制器亦用作一個(gè)反向電池保護(hù)電路的一部分。如果主電池反接，就一直關(guān)斷，因?yàn)闆](méi)有來(lái)自控制器的信號(hào)。它通過(guò)終結(jié)反向電流路徑而保護(hù)負(fù)載的電路。
dc- dc升壓
采用dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器的方法與輔助電池近似(圖3)。當(dāng)引擎重新起動(dòng)時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)Q1將主電池與負(fù)載切斷，而一個(gè)dc-dc轉(zhuǎn)換器則在起動(dòng)期間為負(fù)載提供升高后的電壓。
圖3，微混系統(tǒng)中的dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)換器的電感中。這里升壓轉(zhuǎn)換器(虛線(xiàn)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(zhuǎn)換器包括一只電感，兩只功率開(kāi)關(guān)(Q2和Q3)，以及一個(gè)輸出電容。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，所有能量都存儲(chǔ)在電感中。此時(shí)Q3關(guān)斷。然后，當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，電感將能量通過(guò)Q3輸送給負(fù)載。主電池上的電壓與負(fù)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(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，以維持負(fù)載端子上的電壓。
微混汽車(chē)的例子
國(guó)際整流器公司( IR ) 的AUIRF1324S-7P表面安裝MOSFET用作電池開(kāi)關(guān)，可提供低至1mΩ的最大導(dǎo)通電阻，以及高達(dá)240A的輸出電流。對(duì)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(dǎo)通電阻為1.65mΩ。
TO - 262 封裝的寬引線(xiàn)AUIRF1324WL功率MOSFET可以將最大導(dǎo)通電阻減少約20%。較寬引線(xiàn)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(xiàn)。較低的導(dǎo)通電阻以及封裝內(nèi)改進(jìn)的打線(xiàn)，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(kāi)關(guān)應(yīng)用。IR公司亦提供40V的汽車(chē)級(jí)MOSFET，其導(dǎo)通電阻低至1.25mΩ。這些產(chǎn)品都適用于dc-dc轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。
AUIR3240S是一款汽車(chē)級(jí)的高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器，用于起/停應(yīng)用中的電池功率開(kāi)關(guān)(圖4)。高度集成的升壓轉(zhuǎn)換器專(zhuān)門(mén)為起/停系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，它需要一個(gè)板網(wǎng)穩(wěn)定器，當(dāng)引擎起動(dòng)時(shí)，用一只功率開(kāi)關(guān)將起動(dòng)機(jī)和主電池與輔助電氣系統(tǒng)斷開(kāi)。AUIR3240S可以驅(qū)動(dòng)多只并聯(lián)的MOSFET，從而獲得非常低的導(dǎo)通電阻，耗電不到50μA。器件輸出端提供15V，輸入電壓范圍寬達(dá)4V~36V。AUIR3240S還有對(duì)輸出電流的診斷功能，并有一個(gè)熱傳感器接口，可以獲得強(qiáng)健的設(shè)計(jì)。
圖4，雙電池系統(tǒng)可以使用高集成度AUIR3240S功率開(kāi)關(guān)高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器中的板網(wǎng)穩(wěn)定器。當(dāng)引擎起動(dòng)時(shí)，功率開(kāi)關(guān)將起動(dòng)機(jī)和電池與輔助系統(tǒng)斷開(kāi)。
微混型起/停系統(tǒng)的不斷進(jìn)步需要各種解決方案，如降低起動(dòng)壓降，起動(dòng)機(jī)中集成更多電子設(shè)備，以及電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。功率電子供應(yīng)商與汽車(chē)商正在把各個(gè)部件落實(shí)到位，以得到必要的進(jìn)展。
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