封裝與電路集成化提升微混汽車(chē)的排放優(yōu)勢
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要點(diǎn)
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/196293.htm1.當汽車(chē)不運動(dòng)時(shí)，關(guān)閉內燃機引擎，這是一種減少燃料使用和排放的有效方法。
2.起/停系統的實(shí)現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(wèn)題包括：功耗、瞬變、數據與時(shí)鐘的變形，以及對噪聲的抑制能力。
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)機和主電池與輔助電力系統斷開(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，這個(gè)簡(jiǎn)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(wàn)輛汽車(chē)中，ICE(內燃機)系統仍然是主流的汽車(chē)推進(jìn)技術(shù)。不過(guò)，全球趨勢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，全球的強制性政府排放標準正日益嚴格。
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)監管，因為總體性能已經(jīng)運離了志愿目標。同時(shí)，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(jìn)展加劇了汽車(chē)制造商面臨的挑戰，他們要努力去遵守這些新的標準。
顯然，降低燃料消耗是滿(mǎn)足新嚴格要求的一個(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)將出現爆炸。要滿(mǎn)足2020年對二氧化碳排放的目標，采用HEV和EV方式是關(guān)鍵。
據研究公司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(cháng)率，到2020將年增長(cháng)到5千萬(wàn)臺車(chē)，或當年汽車(chē)產(chǎn)量的大約一半(圖1)。分析家預計，微混合型車(chē)將占其中的大多數。
圖1，預計從現在到2020年，HEV/EV需求的增長(cháng)率將達年均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別在于，微混合車(chē)沒(méi)有用于驅動(dòng)汽車(chē)的電力傳動(dòng)系統。微混合車(chē)的起/停系統會(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。與傳統汽車(chē)的油耗相比，從這些技術(shù)中獲得的燃料經(jīng)濟性數值通常在5%~10%之間(表1)。
現在有各種起/停系統。有一種是超級起動(dòng)機，它使用一個(gè)堅固的直流起動(dòng)機，并有電池管理系統。對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，超級起動(dòng)機以平均80美元的低價(jià)格，占有了約三分之二的起/停系統市場(chǎng)。采用這一技術(shù)的汽車(chē)商包括BMW。
另一種起/停系統是BAS(皮帶傳動(dòng)交流起動(dòng)機)，它采用了一個(gè)DC-AC轉換器，平均功率通常在1.5kW~3kW范圍內。這類(lèi)系統幾乎沒(méi)有聲音，提供的引擎重起時(shí)間可低至400ms。BAS系統的最終用戶(hù)價(jià)格估計為300美元，可用于很多中價(jià)位汽車(chē)。
最后，對于可影響普通起/停系統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(chē)的電壓。
雙電池
在典型的雙電池技術(shù)中，當ICE在運行時(shí)，電源開(kāi)關(guān)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(chē)停車(chē)時(shí)，ICE關(guān)閉，主電池成為負載的主要電源。當引擎重新起動(dòng)時(shí)，主電池必須為起動(dòng)電機提供一個(gè)瞬時(shí)電流高達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，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(dòng)，發(fā)電機恢復工作以后，Q1導通，系統重新回到汽車(chē)行駛模式。
電源開(kāi)關(guān)Q1和控制器亦用作一個(gè)反向電池保護電路的一部分。如果主電池反接，就一直關(guān)斷，因為沒(méi)有來(lái)自控制器的信號。它通過(guò)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(dòng)時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)Q1將主電池與負載切斷，而一個(gè)dc-dc轉換器則在起動(dòng)期間為負載提供升高后的電壓。
圖3，微混系統中的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(xiàn)框內)的功能等同于雙電池系統中的輔助電池。
dc-dc升壓轉換器包括一只電感，兩只功率開(kāi)關(guān)(Q2和Q3)，以及一個(gè)輸出電容。當Q2導通時(shí)，所有能量都存儲在電感中。此時(shí)Q3關(guān)斷。然后，當Q2關(guān)斷時(shí)，電感將能量通過(guò)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導通模式，以維持負載端子上的電壓。
微混汽車(chē)的例子
國際整流器公司( 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TO-262封裝的AUIRF1324L，最大導通電阻為1.65mΩ。
TO - 262 封裝的寬引線(xiàn)AUIRF1324WL功率MOSFET可以將最大導通電阻減少約20%。較寬引線(xiàn)的封裝意味著(zhù)MOSFET源端子有更多的面積可以容納內部打線(xiàn)。較低的導通電阻以及封裝內改進(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)應用。IR公司亦提供40V的汽車(chē)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(chē)級的高側MOSFET驅動(dòng)器，用于起/停應用中的電池功率開(kāi)關(guān)(圖4)。高度集成的升壓轉換器專(zhuān)門(mén)為起/停系統而設計，它需要一個(gè)板網(wǎng)穩定器，當引擎起動(dòng)時(shí)，用一只功率開(kāi)關(guān)將起動(dòng)機和主電池與輔助電氣系統斷開(kāi)。AUIR3240S可以驅動(dòng)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(gè)熱傳感器接口，可以獲得強健的設計。
圖4，雙電池系統可以使用高集成度AUIR3240S功率開(kāi)關(guān)高側MOSFET驅動(dòng)器中的板網(wǎng)穩定器。當引擎起動(dòng)時(shí)，功率開(kāi)關(guān)將起動(dòng)機和電池與輔助系統斷開(kāi)。
微混型起/停系統的不斷進(jìn)步需要各種解決方案，如降低起動(dòng)壓降，起動(dòng)機中集成更多電子設備，以及電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。功率電子供應商與汽車(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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