先進(jìn)的汽車(chē)動(dòng)力電氣系統開(kāi)創(chuàng )混合動(dòng)力新時(shí)代

集成啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(integrated starter alternator, ISA)技術(shù)是實(shí)現混合動(dòng)力汽車(chē)的核心技術(shù)之一，該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展取決于新型動(dòng)力電氣技術(shù)的發(fā)展。IR公司的Steve Clemente和Toshio Takahashi研究了這項技術(shù)的發(fā)展前景。本文介紹他們的最新研究成果。

圖1：?jiǎn)?dòng)器交流發(fā)動(dòng)機動(dòng)力電氣模型的基本框圖及其動(dòng)力部分示意圖。

汽車(chē)工業(yè)正努力通過(guò)電力驅動(dòng)改造降低傳統汽車(chē)的燃料消耗和廢氣排放，并為實(shí)現完全電氣驅動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展鋪平道路。集成啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機是實(shí)現上述目標的基本構件塊，目前不少行駛在歐洲和北美大街小巷中的汽車(chē)已采用了這項技術(shù)。某些“輕度混合動(dòng)力(mild hybrid)”汽車(chē)利用ISA在傳統引擎上實(shí)現了對用戶(hù)透明的“走走停停”操作，從而節省了燃料消耗。“完全混合動(dòng)力(full hybrid)”汽車(chē)也已開(kāi)始在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，其主要特征是利用功能強大的電氣系統承擔更多的運動(dòng)操作。

在“走走停停”中節省燃料消耗

或許ISA最基本的功能是使傳統汽車(chē)在遇到紅燈停止時(shí)直接切斷引擎而不使其空轉。這樣不僅能減少有害氣體的排放，還改進(jìn)了燃耗消耗。當然，我們還可以采用更先進(jìn)的技術(shù)提升高峰值動(dòng)力條件下的電氣性能，這些技術(shù)包括電動(dòng)助力轉向系統(EPS)、電動(dòng)渦輪輔助設備(electronic turbo-assist)、變速車(chē)內溫度控制(variable-speed climate control)、電動(dòng)閥門(mén)控制、主動(dòng)懸架及各種線(xiàn)傳控制(X-by-Wire)功能。這些技術(shù)在減輕整車(chē)重量的同時(shí)，還可以改進(jìn)燃料消耗和性能、增強引擎控制性能和效率、增加舒適度和安全性并增加駕駛員的滿(mǎn)意度。

圖2：顯示了具有電流和溫度感應功能的3相模塊。

啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機面臨的主要技術(shù)挑戰是設計能在125°C環(huán)境溫度下提供3KW功率的動(dòng)力電氣模型。圖1顯示了該模型的基本框圖及其動(dòng)力部分示意圖。在比較成熟的實(shí)現方案中，系統將分為硬件和軟件兩部分：硬件安裝在啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機上，軟件則是主ECU的一部分。在某些平臺中，負載管理單元負責監控動(dòng)力分配并保證關(guān)鍵負載的優(yōu)先級最高。

圖2顯示了具有電流和溫度感應功能的3相模塊，該模塊通常安裝在啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機上。重要的是，這類(lèi)基本ISA非常適宜于現有平臺的改造，因為改造的力度最小且成本費用幾乎可以忽略不計。這一點(diǎn)非常重要，因為這有助于支持完全電動(dòng)操作技術(shù)迅速進(jìn)入市場(chǎng)，甚至在汽車(chē)引入更先進(jìn)子系統之前即可進(jìn)行有效的性?xún)r(jià)比優(yōu)化。歐洲一些小型車(chē)和中型車(chē)已作好裝備這項技術(shù)的準備，因為該技術(shù)能以一種對用戶(hù)完全透明的方式，在汽車(chē)“走走停停”操作中節省燃料消耗。

增強電氣性能

為了更好地發(fā)揮ISA的效能，需要將ISA安裝在介于引擎和變速箱之間的傳動(dòng)系統中。圖3顯示了電氣箱如何將電流饋送至以高效空間方式集成在引擎與傳送部分之間的電機。該技術(shù)可以提供恒定的14kW電啟動(dòng)功率并使傳動(dòng)系統主動(dòng)減幅，從而徹底淘汰調速輪。這就是著(zhù)名的ISAD系統，其中D表示減幅。

圖3：顯示了電氣箱如何將電流饋送至以高效空間方式集成在引擎與傳送部分之間的電機。

遇到紅燈時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機停止運轉，但其他配件仍在電氣驅動(dòng)下繼續工作，電動(dòng)力儲存在由42V鉛酸電池組和具有最強響應能力的超級電容器構成的組合體中。一旦交通燈變綠，駕駛員踩上油門(mén)后，啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機將啟動(dòng)，這樣在引擎啟動(dòng)過(guò)程中汽車(chē)將在電池動(dòng)力的驅動(dòng)下起動(dòng)，延遲或干擾很小甚至沒(méi)有。

在引擎短暫中斷期間，為了保證配件實(shí)現全部功能，需要一個(gè)由電氣驅動(dòng)的液壓泵提供動(dòng)力方向盤(pán)(動(dòng)力方向盤(pán)未來(lái)有望被完全電氣驅動(dòng)的EPS取代，進(jìn)而淘汰液壓油)。同樣，可以對傳統的空調系統實(shí)施智能控制，這樣冬季為保持駕駛室熱量可使電動(dòng)泵持續循環(huán)熱水，而夏季則使電動(dòng)泵持續循環(huán)干冷空氣。

這些原理已在現有的“輕度混合動(dòng)力”多用途運載車(chē)中得到體現。與傳統運載車(chē)相比，這種新型運載車(chē)通過(guò)采用再生制動(dòng)和“走走停停”功能，拖拉同等貨物時(shí)可節省10%至15%的燃油消耗。

干電池/Ultracap電容網(wǎng)絡(luò )同樣可以為電路板上的電氣配件或用戶(hù)輸出口插入的裝備(如打火機插座)提供電動(dòng)力。ISA最上層框圖如圖4所示，與電池并聯(lián)的電容可以改進(jìn)電路板上新添加電氣子系統的電動(dòng)力需求，這些電容可在剎車(chē)能量恢復中發(fā)揮重要作用。

圖4：與電池并聯(lián)的電容可以改進(jìn)電路板上新添加電氣子系統的電動(dòng)力需求。

設計人員現在已經(jīng)開(kāi)始從高性能無(wú)傳感器架構中受益，與感應電機相比，無(wú)刷直流電機因其高效率和可控性而在架構中得到應用。雖然表面上這看起來(lái)與工業(yè)伺服傳動(dòng)非常相似，但實(shí)際上兩者具有本質(zhì)區別。7.5至12kW工業(yè)伺服傳動(dòng)的年產(chǎn)量約為8萬(wàn)套，而單個(gè)汽車(chē)平臺上的傳動(dòng)數目就遠超過(guò)這個(gè)數字。從技術(shù)的角度看，用于這些傳動(dòng)的動(dòng)力模塊必須承受至今工業(yè)界尚未可知的強大壓力。這些動(dòng)力模塊必須能以極高的效率及最小的寄生效應在150°C環(huán)境溫度下傳送全部電動(dòng)力。最后，這些動(dòng)力模塊還必須對現有平臺的改造最小并能以幾乎可以忽略不計的成本使產(chǎn)品打入汽車(chē)市場(chǎng)。

圖5所示的模塊專(zhuān)為42V“輕度混合動(dòng)力”汽車(chē)設計。該模塊具有由兩個(gè)能在42V總線(xiàn)上交換600A電流的大動(dòng)力MOSFET芯片(每個(gè)面積為150mm2)構成的半橋式結構。為了減少熱壓力，FET安裝在溫度系數與硅片完全匹配的陶瓷基片上。先進(jìn)的引線(xiàn)接合技術(shù)確保該模塊可以抵御與汽車(chē)環(huán)境緊密相關(guān)的溫度周期變化和動(dòng)力周期變化影響。設計中，電源線(xiàn)必須與層疊的信息轉移線(xiàn)路完全匹配，從而盡可能減小雜散電感，使其低于8nH。為了盡可能減小EMI敏感度，還應在覆蓋模塊的小型PCB上安裝門(mén)極驅動(dòng)、感應和保護。門(mén)極驅動(dòng)電路可在20kHz頻率下驅動(dòng)這些FET，而感應和電子參數的解析也能在該小型電路板上執行。

提升到全電氣操作

圖5：所示模塊專(zhuān)為42V“輕度混合動(dòng)力”汽車(chē)設計。

隨著(zhù)動(dòng)力平衡由引擎轉移到電機，總線(xiàn)電壓的提升也越來(lái)越具有現實(shí)意義。與降低成本和簡(jiǎn)化設計簡(jiǎn)化相比，減少傳導損耗無(wú)疑更引人注目。在電氣器件設計中，電導損耗決定了硅片的大小、封裝和熱交換器。由于電導損耗與電流的平方成正比，因此總線(xiàn)電壓從42V提升至300V將使電導損耗降低50倍，而其他指標保持不變。

正是出于上述考慮，現在馳騁在大街小巷上的大多數“完全混合動(dòng)力”汽車(chē)的總線(xiàn)電壓介于180V至300V之間。作為參考，圖5給出的相同模塊采用600V IGBT架構，傳送的輸出動(dòng)力可以增加40%至60%。

近期，兩種總線(xiàn)電壓很可能會(huì )共存在同一平臺上。14V總線(xiàn)仍然頗具吸引力，因為目前已在14V環(huán)境下開(kāi)發(fā)了大量功能。因此，需要在兩種總線(xiàn)之間引入雙向直流到直流轉換器進(jìn)行動(dòng)力穿梭傳送，這也將成為系統架構的關(guān)鍵部分，因為需要該轉換器為14V條件下的汽車(chē)發(fā)動(dòng)提供必要的動(dòng)力。為了盡可能降低成本并增加動(dòng)力密度，轉換器可以與電機驅動(dòng)集成：共享相同的總線(xiàn)電容、母線(xiàn)布局和熱交換器。圖6顯示了與ISA共享總線(xiàn)電容的1.5kW轉換器，該轉換器采用了一種稱(chēng)為“波紋轉向(ripple steering)”的非傳統拓樸結構，這種結構可以盡可能降低電抗器件的規格。轉換器的轉換效率為92%，偏差為5%或0.7V，動(dòng)力密度為2W/cm3。

圖6：顯示了與ISA共享總線(xiàn)電容的1.5kW轉換器。

本文小結

內燃引擎在其100多年的發(fā)展歷程中，已經(jīng)達到性能提升的極限。駕駛員現在期望的引擎性能和效率采用任何其他替代技術(shù)都很難實(shí)現。但內燃引擎迫于環(huán)保壓力注定將被取代，更何況有限的傳統燃料資源將進(jìn)一步推動(dòng)這一進(jìn)程。

出于上述考慮，現在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正致力于研究各種替代方案，而絕大多數方案在很大程度上都依賴(lài)于電氣操作。如果當前汽車(chē)電子市場(chǎng)對通用電子器件和動(dòng)力半導體帶來(lái)了沖擊，那么對未來(lái)電動(dòng)車(chē)的需求將有助于建立一整套新基準，包括動(dòng)力處理性能、工作溫度、價(jià)格敏感度和魯棒性。先進(jìn)的運動(dòng)控制和動(dòng)力管理模塊已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，可以滿(mǎn)足上述性能需求。這些替代方案將在后汽油時(shí)代汽車(chē)工程人員設計個(gè)性化交通工具中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。