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針對新興微混合動力應用的先進電力電子解決方案

上網時間: 2012年12月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:微混合動力  內燃機  EV  HEV  油電混合 

作者:Masashi Sekine 應用工程師

Jifeng Qin 產品經理

國際整流器公司汽車產品事業部

在2011年全球生產的近8000萬輛汽車中,內燃機(ICE)系統仍然是車輛推進領域的主導技術。然而,改變即將發生——實際上已經發生。一方面,飛速上漲的油價加重了每一個駕駛員的負擔。

另一方面,如今各國的排放法規都變得越來越嚴格。在歐洲,汽車的CO2排放量要符合EU和汽車製造商達成的自願協議的要求,但是由於整體效果離自願目標還遠著呢,所以已經推出了相關法規。同時,歐6標準將逐漸生效,要求大幅降低氮氧化物的排放。所有這些因素都讓汽車產業面臨更大的挑戰,但是汽車製造商的底線仍然是滿足標準。

很明顯,降低燃料消耗是滿足嚴格要求的關鍵,並且今後10年內各種配置的油電混合動力汽車(HEV)市場都將蓬勃發展:微混合、輕度混合、全混合和插電式混合,更不用說新型電動汽車(EV)了。預計到2020年一定要HEV/EV才能滿足CO2排放目標。從2009年到2020年,EV/HEV年需求量預測(單位:百萬輛)如圖1所示。總的來說,HEV/EV生產具有+31%的CAGR,2020年HEV/EV產量將達到5000萬輛,占汽車總產量的50%左右,並且大部份汽車採用微混合動力系統。


圖1:EV/HEV年需求量預測。

微混合動力系統和全/插電式混合動力系統的主要區別在於它是否利用電動動力系統來驅動汽車。微混合動力系統,亦即起止系統,先關閉,然後重新開機內燃機,用以降低引擎空轉(例如等待交通訊號燈或堵車時頻繁停車)時間。輕度混合動力系統除了具有起止特性以外,還具有再生制動系統。借助於這些技術,混合動力汽車的燃油經濟性通常比傳統汽車高5%~10%。

市面上有很多種起止系統。第一種叫做超級啟動器,超級啟動系統一般包含穩定的DC啟動器和1個電池管理系統。據估計,由於成本低,它代表著2/3的起止系統市場。其平均成本為80美元,包括寶馬在內的很多汽車製造商都採用這項技術。第二種起止系統是皮帶驅動交流發電機啟動器(BAS),BAS系統包含平均功率為1.5kW~3kW(典型值)的DC/AC轉換器,該系統雜訊更低。其終端使用者價格估計為300美元,重啟時間僅400ms,適於中階汽車。最後,在傳統起止系統無法正常執行的寒冷條件下,雙電池解決方案或DC-DC升壓解決方案適用於保持匯流排電壓,詳情見下一節。

雙電池技術的典型系統架構圖如圖2所示。ICE執行時,電源開關Q1保持接通狀態,這樣負載就完全由主電池(Vbat)以及交流發電機供電。停車時,ICE關閉,只有Vbat為負載供電。引擎重新開機時,主電源Vbat還需要為啟動電機提供高達1000A的大瞬態電流,這會導致Vbat終端處的瞬態電壓降至6V。為了防止電力電子電路由於電池發生瞬態事件而關閉,控制器會向Q1發送一個關閉訊號,以便斷開Vbat與負載的連接。同時,輔助電池(Vaux)會為負載供電,並保持電池電壓。引擎成功重啟且交流發電機重新開始工作之後,Q1接通,系統回到車輛執行模式。電源開關Q1和控制器還是電池反接保護電路的一部份。如果Vbat反接,Q1就會保持關閉狀態,因為控制器沒有發出訊號 - 它透過終止反向電流路徑來保護負載上的電路。


圖2:微混合動力系統採用的雙電池開關技術的系統架構圖。

另一種方法的配置類似,但是採用DC-DC升壓轉換器,而不是輔助電池,如圖3所示。引擎重新開機時,旁路開關Q1會將主電池(Vbat)與負載斷開,DC-DC轉換器在啟動過程中為負載提供升壓。DC-DC升壓轉換器由1個電感、2個電源開關(Q2和Q3)和1個輸出電容器組成。Q2接通時,所有能量均儲存在電感處──在此期間Q3斷開,然後在Q2斷開的時候,電感透過Q3將能量傳遞給負載。Q2的占空比取決於主電源上的電壓和負載終端上的電壓。PWM控制器在連續導通模式下控制這種同步DC-DC升壓轉換器以保持Vload。


圖3:微混合動力系統採用的DC-DC升壓轉換器拓撲的系統架構圖。

國際整流器(IR)公司為微混合動力系統提供了汽車級系統解決方案。對於電池開關,表面安裝MOSFET AUIRF1324S-7P的最高導通電阻Rds(on)(最大值)低至1mΩ,而輸出電流則達240A。對於接腳封裝,IR提供了採用傳統TO-262封裝的AUIRF1324L,其最高Rds(on)為1.65mΩ,並且可以利用採用新型WideLead TO-262封裝的產品AUIRF1324WL將最高Rds(on)值降低20%左右。接腳越寬意味著在MOSFET源極處安裝內部接線的空間越多,因而降低了 Rds(on),改善了封裝內的線焊,進而將最大額定漏電流提高了30%左右。24V 1324系列的所有MOSFET均適於電池開關應用。IR還擁有Rds(on)低至1.25mΩ的40V汽車級MOSFET,適於DC-DC轉換器應用。

IR汽車級高階MOSFET驅動器AUIR3240S專門為驅動起止應用的電池電源開關而設計,如圖4所示。AUIR3240S是一款起止系統專用高整合度升壓轉換器,該系統在堵車時說明汽車暫停引擎執行。該系統需要一個‘板網穩定器’,透過電源開關在引擎啟動時將輔助電力系統與啟動器和主電池斷開。AUIR3240S可以並行驅動幾個MOSFET,能夠實現極低的導通電阻(Rds(on))和低於50μA的電流消耗。新元件可以提供15V輸出電壓,而且輸入電壓範圍很寬(4-36V)。AUIR3240S 還可以診斷輸出電流,並具備適於穩定設計熱感測器介面。


圖4:採用AUIR3240S和AUIRF1324S-7P的雙電池系統解決方案。


表1:HEV類型(按功能分)

微混合動力起止系統的光明前途取決於很多因素——如何降低啟動電壓降、如何將更多的電子元件整合在啟動器中、新電池技術的發展方向如何……考慮到微混合動力系統的巨大潛力,電力電子供應商和汽車製造商一定會找到合適的解決方案。





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