定義、設計和提供汽車(chē)啟停系統及其優(yōu)勢

本文將介紹什么是啟停系統以及汽車(chē)啟停系統的先決條件，包括它的實(shí)施與優(yōu)勢。

燃油節省與CO2減排范圍在5%至10%之間。隨著(zhù)燃油價(jià)格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對減少汽車(chē)排放量的要求，我們需要采用各種措施來(lái)提高效率，降低排放。

高效節能、環(huán)保和低稅率是汽車(chē)吸引客戶(hù)的屬性特征。有大量選項可使這類(lèi)汽車(chē)變得更經(jīng)濟?；旌蟿?dòng)力或電動(dòng)汽車(chē)就是其中的兩種選項，但成本依然相當高。純電動(dòng)汽車(chē)需要快速充電和密集的充電站網(wǎng)絡(luò )，而混合動(dòng)力汽車(chē)則存在兩個(gè)引擎的負擔。

通過(guò)為汽油及柴油汽車(chē)實(shí)施啟停技術(shù)，可以使能效顯著(zhù)提升5%至10%.

啟停是指可在汽車(chē)怠速時(shí)停止發(fā)動(dòng)機運行的系統，例如在等交通信號燈時(shí)可減少排放量，提高燃油效率。只需踩手動(dòng)檔汽車(chē)的離合器或者自動(dòng)擋汽車(chē)的加速器就能使發(fā)動(dòng)機再次啟動(dòng)。在需要動(dòng)力的情況下，如果汽車(chē)開(kāi)始移動(dòng)，可能需要制動(dòng)壓力?；蛘?，如果AC單元耗電過(guò)多，發(fā)動(dòng)機會(huì )自動(dòng)重新啟動(dòng)。

啟停實(shí)施需要一些先決條件。由于起動(dòng)器使用更加頻繁，因此在大多數情況下需要使用容量更大的電池。此外，經(jīng)常使用發(fā)電機與起動(dòng)器組合或者集成型起動(dòng)器發(fā)電機（ISG）替代傳統方案。這樣可實(shí)現制動(dòng)能量重復使用。因此，發(fā)電機需要支持明顯高于普通發(fā)電機的電流。起動(dòng)器已適合該需求，因此需要添加支持充電的電子器件，這一工作比較簡(jiǎn)單。

制動(dòng)能量的重復使用有助于提高整體能效，因為在正常駕駛過(guò)程中需要較小的充電。不過(guò)，這還需要不同的電池特性來(lái)實(shí)現快速充電。此外，還需要傳感發(fā)動(dòng)機溫度和外部溫度等環(huán)境數據，其可能會(huì )在特定條件下阻止啟停。例如，如果發(fā)動(dòng)機較冷，燃油效率就會(huì )比較低，而且啟動(dòng)所需功率也會(huì )比較高。

此外，啟停還需要電池監控，因為較弱的電池無(wú)法實(shí)現重啟。在這種情況下，啟停功能會(huì )被禁用。如果發(fā)動(dòng)機停止工作，那么由發(fā)動(dòng)機皮帶帶動(dòng)的水泵和空調等功能也會(huì )停止。要在啟停過(guò)程中支持這些功能的運行，需要使用電機代替皮帶來(lái)驅動(dòng)這些負載。（圖1）

圖1：汽車(chē)系統中電氣負載及其電源的方框圖

通過(guò)DC/DC降壓轉換器將電池電壓降壓為儀表板及信息娛樂(lè )系統的電源。

低電池電壓會(huì )影響降壓轉換器的輸出以及這些電路板的電源。為維持恒定穩壓的電源，必須使用前置升壓級。前置升壓級的配置取決于所需的電源。

在啟動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)器的高負載會(huì )導致電池電壓大幅降低。對于冷啟動(dòng)而言，在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)時(shí)，汽車(chē)的系統未加電，只有在發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機工作時(shí)才通電。

相反，在啟停過(guò)程中，系統已經(jīng)加電運行，不會(huì )因電源不足而復位?，F在，信息娛樂(lè )系統或高級駕駛員輔助系統（ADAS）具有啟動(dòng)支持，可避免電源出現壓降。

一般曲線(xiàn)通常依照ISO7637-4脈沖形式，但電壓和持續時(shí)間會(huì )有變化（圖2）。

圖2：?jiǎn)?dòng)脈沖電壓波形實(shí)例

根據ISO7637-2脈沖4，電池在5ms內降低至5V至6V的最低電壓（針對額定12V系統），并維持該值達40ms.然后，電壓升至6V至9.5V并維持20秒，隨后恢復到正常電壓值。

大部分原始設備制造商（OEM）的汽車(chē)啟動(dòng)配置都使用ISO脈沖的變形。通常初始壓降更加重要。

今天，不僅可以找到低至3.6V的電壓，而且電壓進(jìn)一步降低的趨勢也很明顯。壓擺率和持續時(shí)間等定時(shí)參數也可能會(huì )有所不同。有些不僅可在平坦區添加振蕩或延長(cháng)初始脈沖，同時(shí)還可消除第二平坦區，例如在支持大眾冷啟動(dòng)測試脈沖（VW80000）和戴姆勒克萊斯勒發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)測試脈沖（DC-10615）的情況下。

在任何情況下都要考慮從電池中汲取的電流。電源需求在30W范圍內的信息娛樂(lè )系統一般可從電池中汲取2.5A至3A的電流。如果電池電壓降至2V，那該系統會(huì )汲取超過(guò)15A的電流。因此，即便是在啟動(dòng)脈沖過(guò)程中，電子器件也需要保持穩定，以便實(shí)現持續工作?？捎玫牟煌鉀Q方案有前置升壓或升降壓。

前置升壓不僅可為整個(gè)系統提供電源，而且還位于電池與為處理器和音頻提供電源的降壓轉換器之間。它只在啟動(dòng)時(shí)工作，在電池電壓降低時(shí)需要自行激活。它允許極低的電池電壓。但由于子系統需要升壓的總電源原故，電流要求會(huì )非常高。因此，升壓產(chǎn)品及其組件需要適應這樣的電流額定值。

使用分立式前置升壓產(chǎn)品或TPS43330-Q1或TPS43350-Q1產(chǎn)品系列，可實(shí)現模塊化解決方案。加入升壓電路組件后可實(shí)現啟動(dòng)支持。如果不需要啟動(dòng)支持，可移除升壓電路組件，無(wú)需對其余電源鏈進(jìn)行任何改變。圖3是一般架構，圖4則是使用TPS43330-Q1的簡(jiǎn)化實(shí)施方法。

圖3：采用前置升壓進(jìn)行啟動(dòng)補償

圖4：使用TPS43330-Q1實(shí)現一組前置升壓及兩組降壓的簡(jiǎn)化實(shí)施方案

前置升壓電路中最重要的設計是實(shí)現較高的帶寬。需要足夠的帶寬，才能對電池電平的突然變化作出及時(shí)響應。這可在不連續電流模式下輕松實(shí)現。在不連續模式下，電感器峰值電流非常高，輸入電容RMS電流也是如此。這需要極大的輸入電容器，會(huì )對電路板空間產(chǎn)生不利影響。要避免這個(gè)問(wèn)題，升壓電路應該為連續電流模式，但這會(huì )在環(huán)路中創(chuàng )建右半平面零點(diǎn)（RHPZ）。RHPZ會(huì )對電路帶寬產(chǎn)生不利影響。需要在高峰值電流與RHPZ之間進(jìn)行權衡。

升降壓解決方案可將上述兩個(gè)電路級整合在一個(gè)穩壓器中（圖5）。

圖5：使用升降壓產(chǎn)品實(shí)現啟動(dòng)補償

在降壓模式下，晶體管Q1的占空比可設定電壓VOUT.晶體管Q1的占空比可在10%至99%之間變化，主要取決于輸入電壓。如果峰值電感器電流超過(guò)了設定的閥值，Q2就會(huì )在這個(gè)周期內開(kāi)啟（同步整流器）。否則，該電流會(huì )再次流經(jīng)作為續流二極管的Q2（異步整流器）。

同步或異步模式的檢查需要按每個(gè)周期逐步完成。要避免在Q1與Q2之間出現交叉傳導電流，在關(guān)閉Q1和打開(kāi)Q2（或相反）時(shí)應引入固有延遲。在降壓模式下，晶體管Q3不需要，可關(guān)閉?？纱蜷_(kāi)晶體管Q4，以降低功耗。

這種配置可實(shí)現最佳性能，而且在任何模式下，VOUT都可在3%的容差內穩壓（圖6）。

圖6：使用TPIC74100-Q1實(shí)現升降壓的簡(jiǎn)化實(shí)施方案

第三種方法是使用降壓轉換器為整個(gè)系統實(shí)現低電壓，例如3.3V（圖7）。此外，它還可為一個(gè)小型升壓轉換器供電，從而可為幾個(gè)仍然需要較高電壓的功能提供電源。

圖7：使用一個(gè)降壓及一個(gè)升壓電路的啟動(dòng)補償

在大多數情況下，大部分系統都需要3.3V或更低的電源電壓。處理器通常支持1V電源，存儲器支持1.35V、1.5V或1.8V，IO電壓大多為3.3V或1.8V.在絕大多數應用中，只有少數幾種情況需要更高電壓，通常是CAN接口和一些傳感器。只要最小啟動(dòng)電壓支持足夠裕量，能讓降壓電路提供3.3V（在某些系統中甚至更低）電壓，這就是一種簡(jiǎn)潔的方法，因為只有少量需要電壓高于降壓輸出的組件需要進(jìn)行升壓?，F在，相關(guān)組件可以更小、更便宜。該限制顯然是最小啟動(dòng)電壓。

圖8是使用TPS65310A-Q1的簡(jiǎn)化實(shí)施電路，其允許低至4V的輸入電壓提供3.8V的臨時(shí)電壓。例如，CAN收發(fā)器的5V電壓由升壓器提供。

圖8：使用TPS65310A-Q1的簡(jiǎn)化實(shí)施方案：降壓電路后接升壓電路

表1：三種系統的優(yōu)缺點(diǎn)

結論

總之，啟停是一項優(yōu)異的節油特性，比混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)單易行。因此，啟停技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛。事實(shí)上下一步發(fā)展已經(jīng)明確：帶巡航模式的啟停系統，即當汽車(chē)靜止不動(dòng)以及制動(dòng)和油門(mén)踏板都未踩下時(shí)將發(fā)動(dòng)機關(guān)閉。例如，在下緩坡行駛時(shí)，啟停系統預計將會(huì )再節省10%的燃油，減少相應等級的排放。