電力電子技術(shù)在汽車42V直流總線下的應(yīng)用

當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)就是從14V系統(tǒng)到42V系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。由于汽車內(nèi)電器的不斷增加，在未來幾年內(nèi)，其總功率將達(dá)到并超過3KW水平。如果仍沿用傳統(tǒng)的14V蓄電池來傳輸，直流電流將達(dá)到200A～300A。這將會(huì)使所需電機(jī)及功率驅(qū)動(dòng)電路的成本大幅度升高。從而成為限制汽車發(fā)展的瓶頸。所以，對(duì)于已有的14V系統(tǒng)，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(nèi)。這當(dāng)然會(huì)降低汽車的舒適及可靠性。

考慮到安全及經(jīng)濟(jì)性，42V系統(tǒng)成為一個(gè)理想的選擇。之所以選擇42V，是因?yàn)槿梭w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(shè)計(jì)，從而降低成本。其次，傳輸同樣的直流功率，電流只有14V系統(tǒng)的三分之一，從而減低了電機(jī)及電力元件的電流負(fù)荷，也使導(dǎo)線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的近九分之一，從而可以減小導(dǎo)線截面積以降低重量。從另一 個(gè)角度說，在保持同樣電流負(fù)荷的情◆下，傳輸功率會(huì)提高到原來的三倍。

42V系統(tǒng)的應(yīng)用將影響整個(gè)汽車電器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)，直流/直流轉(zhuǎn)換器和電助力方向盤控制。

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

一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是42V系統(tǒng)中的一個(gè)熱點(diǎn)。之所以整合汽車的起動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)成為一個(gè)一體的雙用途電機(jī)，是因?yàn)槠噧?nèi)電器的功率要求。一般家用汽車的起動(dòng)電機(jī)功率在3KW左右，而發(fā)電機(jī)功率在1KW。但隨嗬汽車內(nèi)電器的日益增多，發(fā)電機(jī)功率將在不久的將來達(dá)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(dú)立的過程，因而如將這兩種電機(jī)一體化，材料利用率將提高，前機(jī)蓋下的可利用空間也將可提高。不僅如此，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的效率很低，大約為50%到60%。而一體化電機(jī)在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其效率可達(dá)80%。

另外，這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起停控制，提高燃油效率。就是說，當(dāng)汽車在交通燈前停止時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。在起動(dòng)時(shí)，先由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，再給發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在從零轉(zhuǎn)速達(dá)到額定的加速過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(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是可再生制動(dòng)。即在制動(dòng)過程中，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

這一設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)來自兩個(gè)方面。一方面是電機(jī)設(shè)計(jì)，一方面是功率驅(qū)動(dòng)及控制。

1. 電機(jī)設(shè)計(jì)
在電機(jī)設(shè)計(jì)上，首先的問題是選用何種電機(jī)。眾所周知，電機(jī)的設(shè)計(jì)要么基于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，要么基于電機(jī)運(yùn)行。要折衷設(shè)計(jì)出一個(gè)電機(jī)來完成電動(dòng)與發(fā)電功能，優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

當(dāng)前主要有四種電機(jī)可作為候選。

第一種是永磁無刷直流機(jī)。它單位體積輸出功率高、體積小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。問題一是轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)會(huì)去磁。

第二種電機(jī)是異步機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)簡(jiǎn)便， 控制技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是體積大，?功率調(diào)速范圍窄，而且起動(dòng)電流大，因而對(duì)逆變器功率元件要求較高。

第三種電機(jī)是永磁同步電機(jī)。它的特點(diǎn)是控制靈活、調(diào)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(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本高。

最后一種電機(jī)是開關(guān)磁阻電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是高速性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相間耦合小，可以缺相運(yùn)行。缺點(diǎn)是噪音高，驅(qū)動(dòng)電路特殊，成本高。