電力電子技術(shù)在汽車(chē)42V直流總線(xiàn)下的應用

當今汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢就是從14V系統到42V系統的轉換。由于汽車(chē)內電器的不斷增加，在未來(lái)幾年內，其總功率將達到并超過(guò)3KW水平。如果仍沿用傳統的14V蓄電池來(lái)傳輸，直流電流將達到200A～300A。這將會(huì )使所需電機及功率驅動(dòng)電路的成本大幅度升高。從而成為限制汽車(chē)發(fā)展的瓶頸。所以，對于已有的14V系統，唯一的解決方案是關(guān)掉某些正在使用的電器，以便將峰值電流控制在允許范圍內。這當然會(huì )降低汽車(chē)的舒適及可靠性。

考慮到安全及經(jīng)濟性，42V系統成為一個(gè)理想的選擇。之所以選擇42V，是因為人體所能接觸的安全電壓的上限是直流60V。在考慮到電壓波動(dòng)的裕量后，42V成為一個(gè)很優(yōu)化的選擇。采用這一電壓，首先可以免去額外的絕緣設計，從而降低成本。其次，傳輸同樣的直流功率，電流只有14V系統的三分之一，從而減低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線(xiàn)及功率元件的傳輸損耗降低為原來(lái)的近九分之一，從而可以減小導線(xiàn)截面積以降低重量。從另一 個(gè)角度說(shuō)，在保持同樣電流負荷的情◆下，傳輸功率會(huì )提高到原來(lái)的三倍。

42V系統的應用將影響整個(gè)汽車(chē)電器系統的結構及特性。其中幾個(gè)主要的變化將是一體化起動(dòng)/發(fā)電機，直流/直流轉換器和電助力方向盤(pán)控制。

一體化起動(dòng)/發(fā)電機系統 (ISA：Integrated Starter/Alternator)

一體化起動(dòng)/發(fā)電機系統是42V系統中的一個(gè)熱點(diǎn)。之所以整合汽車(chē)的起動(dòng)電機和發(fā)電機成為一個(gè)一體的雙用途電機，是因為汽車(chē)內電器的功率要求。一般家用汽車(chē)的起動(dòng)電機功率在3KW左右，而發(fā)電機功率在1KW。但隨嗬汽車(chē)內電器的日益增多，發(fā)電機功率將在不久的將來(lái)達到3KW的水平。因此使一體化成為可能。另外，由于起動(dòng)與發(fā)電是兩個(gè)相互獨立的過(guò)程，因而如將這兩種電機一體化，材料利用率將提高，前機蓋下的可利用空間也將可提高。不僅如此，傳統發(fā)電機的效率很低，大約為50%到60%。而一體化電機在發(fā)電機狀態(tài)，其效率可達80%。

另外，這一技術(shù)可以實(shí)現發(fā)動(dòng)機的起?？刂?，提高燃油效率。就是說(shuō)，當汽車(chē)在交通燈前停止時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機。在起動(dòng)時(shí)，先由起動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機達到一定轉速，再給發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火。由于發(fā)動(dòng)機在從零轉速達到額定的加速過(guò)程中是燃油效率最低，燃燒最不充分的，因而，采取這一措施會(huì )提高燃油效率并降低污染。

一體化起動(dòng)/發(fā)電機的另一個(gè)特點(diǎn)是可再生制動(dòng)。即在制動(dòng)過(guò)程中，將機械能轉化為電能給蓄電池充電，從而提高發(fā)動(dòng)機效率。

這一設計的主要挑戰來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面。一方面是電機設計，一方面是功率驅動(dòng)及控制。

1. 電機設計
在電機設計上，首先的問(wèn)題是選用何種電機。眾所周知，電機的設計要么基于電動(dòng)機運行，要么基于電機運行。要折衷設計出一個(gè)電機來(lái)完成電動(dòng)與發(fā)電功能，優(yōu)化設計是關(guān)鍵。

當前主要有四種電機可作為候選。

第一種是永磁無(wú)刷直流機。它單位體積輸出功率高、體積小、起動(dòng)轉矩大。問(wèn)題一是轉矩脈動(dòng)，二是需要較貴的位置傳感器，三是永磁材料成本高，且在短路或重載運行時(shí)會(huì )去磁。

第二種電機是異步機。它的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，維護簡(jiǎn)便， 控制技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是體積大，?功率調速范圍窄，而且起動(dòng)電流大，因而對逆變器功率元件要求較高。

第三種電機是永磁同步電機。它的特點(diǎn)是控制靈活、調速范圍寬、力矩波動(dòng)小。缺點(diǎn)一是永磁材料會(huì )在重載下去磁， 二是驅動(dòng)控制系統成本高。

最后一種電機是開(kāi)關(guān)磁阻電機。優(yōu)點(diǎn)是高速性能優(yōu)越，結構簡(jiǎn)單，相間耦合小，可以缺相運行。缺點(diǎn)是噪音高，驅動(dòng)電路特殊，成本高。