先進(jìn)的汽車動(dòng)力電氣系統(tǒng)開創(chuàng)混合動(dòng)力新時(shí)代

集成啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)(integrated starter alternator, ISA)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的核心技術(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(xiàng)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(jī)動(dòng)力電氣模型的基本框圖及其動(dòng)力部分示意圖。

汽車工業(yè)正努力通過電力驅(qū)動(dòng)改造降低傳統(tǒng)汽車的燃料消耗和廢氣排放，并為實(shí)現(xiàn)完全電氣驅(qū)動(dòng)汽車的發(fā)展鋪平道路。集成啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基本構(gòu)件塊，目前不少行駛在歐洲和北美大街小巷中的汽車已采用了這項(xiàng)技術(shù)。某些“輕度混合動(dòng)力(mild hybrid)”汽車?yán)肐SA在傳統(tǒng)引擎上實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶透明的“走走停停”操作，從而節(jié)省了燃料消耗。“完全混合動(dòng)力(full hybrid)”汽車也已開始在市場(chǎng)上銷售，其主要特征是利用功能強(qiáng)大的電氣系統(tǒng)承擔(dān)更多的運(yùn)動(dòng)操作。

在“走走停停”中節(jié)省燃料消耗

或許ISA最基本的功能是使傳統(tǒng)汽車在遇到紅燈停止時(shí)直接切斷引擎而不使其空轉(zhuǎn)。這樣不僅能減少有害氣體的排放，還改進(jìn)了燃耗消耗。當(dāng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)、電動(dòng)渦輪輔助設(shè)備(electronic turbo-assist)、變速車內(nèi)溫度控制(variable-speed climate control)、電動(dòng)閥門控制、主動(dòng)懸架及各種線傳控制(X-by-Wire)功能。這些技術(shù)在減輕整車重量的同時(shí)，還可以改進(jìn)燃料消耗和性能、增強(qiáng)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意度。

圖2：顯示了具有電流和溫度感應(yīng)功能的3相模塊。

啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)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(xiàn)方案中，系統(tǒng)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(jī)上，軟件則是主ECU的一部分。在某些平臺(tái)中，負(fù)載管理單元負(fù)責(zé)監(jiān)控動(dòng)力分配并保證關(guān)鍵負(fù)載的優(yōu)先級(jí)最高。

圖2顯示了具有電流和溫度感應(yīng)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(jī)上。重要的是，這類基本ISA非常適宜于現(xiàn)有平臺(tái)的改造，因?yàn)楦脑斓牧Χ茸钚∏页杀举M(fèi)用幾乎可以忽略不計(jì)。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@有助于支持完全電動(dòng)操作技術(shù)迅速進(jìn)入市場(chǎng)，甚至在汽車引入更先進(jìn)子系統(tǒng)之前即可進(jìn)行有效的性價(jià)比優(yōu)化。歐洲一些小型車和中型車已作好裝備這項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)備，因?yàn)樵摷夹g(shù)能以一種對(duì)用戶完全透明的方式，在汽車“走走停停”操作中節(jié)省燃料消耗。

增強(qiáng)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(tǒng)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(jī)。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(tǒng)主動(dòng)減幅，從而徹底淘汰調(diào)速輪。這就是著名的ISAD系統(tǒng)，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(jī)。

遇到紅燈時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，但其他配件仍在電氣驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)工作，電動(dòng)力儲(chǔ)存在由42V鉛酸電池組和具有最強(qiáng)響應(yīng)能力的超級(jí)電容器構(gòu)成的組合體中。一旦交通燈變綠，駕駛員踩上油門后，啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)將啟動(dòng)，這樣在引擎啟動(dòng)過程中汽車將在電池動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)，延遲或干擾很小甚至沒有。

在引擎短暫中斷期間，為了保證配件實(shí)現(xiàn)全部功能，需要一個(gè)由電氣驅(qū)動(dòng)的液壓泵提供動(dòng)力方向盤(動(dòng)力方向盤未來有望被完全電氣驅(qū)動(dòng)的EPS取代，進(jìn)而淘汰液壓油)。同樣，可以對(duì)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)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(xù)循環(huán)熱水，而夏季則使電動(dòng)泵持續(xù)循環(huán)干冷空氣。

這些原理已在現(xiàn)有的“輕度混合動(dòng)力”多用途運(yùn)載車中得到體現(xiàn)。與傳統(tǒng)運(yùn)載車相比，這種新型運(yùn)載車通過采用再生制動(dòng)和“走走停停”功能，拖拉同等貨物時(shí)可節(jié)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輸出口插入的裝備(如打火機(jī)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(tǒng)的電動(dòng)力需求，這些電容可在剎車能量恢復(fù)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(tǒng)的電動(dòng)力需求。

設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在已經(jīng)開始從高性能無傳感器架構(gòu)中受益，與感應(yīng)電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)因其高效率和可控性而在架構(gòu)中得到應(yīng)用。雖然表面上這看起來與工業(yè)伺服傳動(dòng)非常相似，但實(shí)際上兩者具有本質(zhì)區(qū)別。7.5至12kW工業(yè)伺服傳動(dòng)的年產(chǎn)量約為8萬套，而單個(gè)汽車平臺(tái)上的傳動(dòng)數(shù)目就遠(yuǎn)超過這個(gè)數(shù)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(qiáng)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(yīng)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(duì)現(xiàn)有平臺(tái)的改造最小并能以幾乎可以忽略不計(jì)的成本使產(chǎn)品打入汽車市場(chǎng)。

圖5所示的模塊專為42V“輕度混合動(dòng)力”汽車設(shè)計(jì)。該模塊具有由兩個(gè)能在42V總線上交換600A電流的大動(dòng)力MOSFET芯片(每個(gè)面積為150mm2)構(gòu)成的半橋式結(jié)構(gòu)。為了減少熱壓力，F(xiàn)ET安裝在溫度系數(shù)與硅片完全匹配的陶瓷基片上。先進(jìn)的引線接合技術(shù)確保該模塊可以抵御與汽車環(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(shè)計(jì)中，電源線必須與層疊的信息轉(zhuǎn)移線路完全匹配，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(yīng)在覆蓋模塊的小型PCB上安裝門極驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)和保護(hù)。門極驅(qū)動(dòng)電路可在20kHz頻率下驅(qū)動(dòng)這些FET，而感應(yīng)和電子參數(shù)的解析也能在該小型電路板上執(zhí)行。

提升到全電氣操作

圖5：所示模塊專為42V“輕度混合動(dòng)力”汽車設(shè)計(jì)。

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

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

近期，兩種總線電壓很可能會(huì)共存在同一平臺(tái)上。14V總線仍然頗具吸引力，因?yàn)槟壳耙言?4V環(huán)境下開發(fā)了大量功能。因此，需要在兩種總線之間引入雙向直流到直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行動(dòng)力穿梭傳送，這也將成為系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵部分，因?yàn)樾枰撧D(zhuǎn)換器為14V條件下的汽車發(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(zhuǎn)換器可以與電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成：共享相同的總線電容、母線布局和熱交換器。圖6顯示了與ISA共享總線電容的1.5kW轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用了一種稱為“波紋轉(zhuǎn)向(ripple steering)”的非傳統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以盡可能降低電抗器件的規(guī)格。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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共享總線電容的1.5kW轉(zhuǎn)換器。

本文小結(jié)

內(nèi)燃引擎在其100多年的發(fā)展歷程中，已經(jīng)達(dá)到性能提升的極限。駕駛員現(xiàn)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(xiàn)。但內(nèi)燃引擎迫于環(huán)保壓力注定將被取代，更何況有限的傳統(tǒng)燃料資源將進(jìn)一步推動(dòng)這一進(jìn)程。

出于上述考慮，現(xiàn)在汽車產(chǎn)業(yè)正致力于研究各種替代方案，而絕大多數(shù)方案在很大程度上都依賴于電氣操作。如果當(dāng)前汽車電子市場(chǎng)對(duì)通用電子器件和動(dòng)力半導(dǎo)體帶來了沖擊，那么對(duì)未來電動(dòng)車的需求將有助于建立一整套新基準(zhǔn)，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(yùn)動(dòng)控制和動(dòng)力管理模塊已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，可以滿足上述性能需求。這些替代方案將在后汽油時(shí)代汽車工程人員設(shè)計(jì)個(gè)性化交通工具中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。