封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

2012-09-29 15:26:39来源: 互联网

要点

    1.当汽车不运动时,关闭内燃机引擎,这是一种减少燃料使用和排放的有效方法。

    2.起/停系统的实现可以采用双电池方式,或用一只电池和升压转换器,能量存储在一只电感中。

    3.要考虑的问题包括:功耗、瞬变、数据与时钟的变形,以及对噪声的抑制能力。

    4.有专门的电池功率开关,可在引擎起动时,将起动机和主电池与辅助电力系统断开。

    汽车的起动/停止操作可在汽车临时停车时关闭引擎,从而减少怠速空转,这个简单的概念可以延伸为提高燃料经济性和减少排放。在2011年全球生产的大约8千万辆汽车中,ICE(内燃机)系统仍然是主流的汽车推进技术。不过,全球趋势是努力使平衡倒向替代品。一方面,汽油的价格一直居高不下;另一方面,全球的强制性政府排放标准正日益严格。

    在欧洲,汽车二氧化碳排放是欧盟与汽车制造商之间的志愿协议,但一直在推动监管,因为总体性能已经运离了志愿目标。同时,欧6标准已排在今后几年的日程上,它要求大大减少氮氧化物的排放。这些进展加剧了汽车制造商面临的挑战,他们要努力去遵守这些新的标准。

    显然,降低燃料消耗是满足新严格要求的一个关键。为此,在各种车型(微混合、轻度混合动力、全混合动力,以及插电式,还有全EV车)中,今后10年的HEV市场将出现爆炸。要满足2020年对二氧化碳排放的目标,采用HEV和EV方式是关键。

    据研究公司Yole Développement的预测,这十年中,对HEV/EV的联合需求将有31%的复合年增长率,到2020将年增长到5千万台车,或当年汽车产量的大约一半(图1)。分析家预计,微混合型车将占其中的大多数。

封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

图1,预计从现在到2020年,HEV/EV需求的增长率将达年均31%的速率(Yole Développement提供,2011年8月)。

混合类型

    微混合体系与全混合或插电混合体系之间的主要区别在于,微混合车没有用于驱动汽车的电力传动系统。微混合车的起/停系统会以关断和重启ICE的方法,减少引擎处于怠速的时间,例如当汽车等待红灯或堵车时。轻度混合除了起/停功能以外,还有一个可再生刹车系统。与传统汽车的油耗相比,从这些技术中获得的燃料经济性数值通常在5%~10%之间(表1)。

封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

    现在有各种起/停系统。有一种是超级起动机,它使用一个坚固的直流起动机,并有电池管理系统。对最终用户来说,超级起动机以平均80美元的低价格,占有了约三分之二的起/停系统市场。采用这一技术的汽车商包括BMW。

    另一种起/停系统是BAS(皮带传动交流起动机),它采用了一个DC-AC转换器,平均功率通常在1.5kW~3kW范围内。这类系统几乎没有声音,提供的引擎重起时间可低至400ms。BAS系统的最终用户价格估计为300美元,可用于很多中价位汽车。

    最后,对于可影响普通起/停系统运行的极寒气候条件,可以采用一种双电池方案或DC-DC升压方案,以保持汽车的电压。

双电池

    在典型的双电池技术中,当ICE在运行时,电源开关Q1保持接通,因此负载完全由主电池及一只交流电机供电(图2)。当汽车停车时,ICE关闭,主电池成为负载的主要电源。当引擎重新起动时,主电池必须为起动电机提供一个瞬时电流高达1000A的电压,而在主电池端子上引发的瞬时压降可低至6V。

封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

图2,微混系统中的双电池切换技术采用了一只辅助电池,用于为起/停工作提供大的起动电流。在起动时,Q1将主电池与功率电路断开,而由辅助电池提供正确的电压。

    为防止因电池起动时的瞬态事件造成供电电路的关断,控制器会给Q1发送一个关断信号,切断主电池与负载的连接。然后由辅助电池为负载供电,维持电池电压。在引擎成功起动,发电机恢复工作以后,Q1导通,系统重新回到汽车行驶模式。

    电源开关Q1和控制器亦用作一个反向电池保护电路的一部分。如果主电池反接,就一直关断,因为没有来自控制器的信号。它通过终结反向电流路径而保护负载的电路。

dc- dc升压

    采用dc-dc升压转换器的方法与辅助电池近似(图3)。当引擎重新起动时,旁路开关Q1将主电池与负载切断,而一个dc-dc转换器则在起动期间为负载提供升高后的电压。

封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

图3,微混系统中的dc-dc升压转换器将能量存储在转换器的电感中。这里升压转换器(虚线框内)的功能等同于双电池系统中的辅助电池。

    dc-dc升压转换器包括一只电感,两只功率开关(Q2和Q3),以及一个输出电容。当Q2导通时,所有能量都存储在电感中。此时Q3关断。然后,当Q2关断时,电感将能量通过Q3输送给负载。主电池上的电压与负载端子上的电压决定了Q2的占空比。PWM控制器使这种同步dc-dc升压转换器工作在连续导通模式,以维持负载端子上的电压。

微混汽车的例子

    国际整流器公司( IR ) 的AUIRF1324S-7P表面安装MOSFET用作电池开关,可提供低至1mΩ的最大导通电阻,以及高达240A的输出电流。对于通孔封装的要求,该公司提供采用传统TO-262封装的AUIRF1324L,最大导通电阻为1.65mΩ。

    TO - 262 封装的宽引线AUIRF1324WL功率MOSFET可以将最大导通电阻减少约20%。较宽引线的封装意味着MOSFET源端子有更多的面积可以容纳内部打线。较低的导通电阻以及封装内改进的打线,共同将最大漏极电流额定值提高了大约30%。

    所有24V 1324系列的MOSFET都适合用于电池开关应用。IR公司亦提供40V的汽车级MOSFET,其导通电阻低至1.25mΩ。这些产品都适用于dc-dc转换器应用。

    AUIR3240S是一款汽车级的高侧MOSFET驱动器,用于起/停应用中的电池功率开关(图4)。高度集成的升压转换器专门为起/停系统而设计,它需要一个板网稳定器,当引擎起动时,用一只功率开关将起动机和主电池与辅助电气系统断开。AUIR3240S可以驱动多只并联的MOSFET,从而获得非常低的导通电阻,耗电不到50μA。器件输出端提供15V,输入电压范围宽达4V~36V。AUIR3240S还有对输出电流的诊断功能,并有一个热传感器接口,可以获得强健的设计。

封装与电路集成化提升微混汽车的排放优势

图4,双电池系统可以使用高集成度AUIR3240S功率开关高侧MOSFET驱动器中的板网稳定器。当引擎起动时,功率开关将起动机和电池与辅助系统断开。

    微混型起/停系统的不断进步需要各种解决方案,如降低起动压降,起动机中集成更多电子设备,以及电池技术的进一步发展。功率电子供应商与汽车商正在把各个部件落实到位,以得到必要的进展。

关键字:封装  汽车  排放  优势

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0929/article_6058.html
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