集成起动交流发电机(ISA)技术是实现混合动力汽车的核心技术之一。ISA技术的进一步发展有赖于电力电子新技术的发展。红外公司的史蒂夫·克莱门特(Steve Clemente)和高桥先生(Toshio Takahashi)对这项技术的发展前景进行了研究。本文介绍了他们的最新研究成果。
 
图1:起动装置交流发动机功率电气模型的基本框图和功率部分原理图。
 
 
汽车工业正努力通过动力驱动改造,降低传统汽车的油耗和废气排放,为全电动汽车的发展铺平道路。一体式起动交流发动机是实现上述目标的基础部件。目前,这种技术已经在欧洲和北美的许多街道上应用。一些“轻度混合动力”车辆使用ISA在传统发动机上实现透明的“停止并前进”操作,从而节省燃油消耗。全混合动力汽车也开始在市场上销售,其主要特点是使用强大的电气系统来进行更多的运动操作。
 
在“停止并前进”中节省燃油消耗
 
也许ISA最基本的功能就是在红灯时熄火而不让它空转。这不仅减少了有害气体的排放,而且提高了燃料的消耗。当然,我们也可以使用更先进的技术来改善高峰值功率条件下的电气性能,包括电动助力转向系统(EPS)、电子涡轮辅助、变速气候控制、电动阀控制、主动悬架和各种其他技术。技术。X-by-wire功能。在减轻车辆重量的同时,这些技术还可以提高油耗和性能,提高发动机控制性能和效率,提高舒适性和安全性,提高驾驶员满意度。
 
图2:显示了具有电流和温度传感功能的三相模块。
 
 
起动交流发动机面临的主要技术挑战是设计一种能够在125摄氏度环境温度下提供3kw功率的功率和电气模型。图1显示了模型的基本框图及其动态部分的示意图。在较为成熟的实现方案中,系统将分为两部分:硬件安装在启动交流发动机上,软件是主ECU的一部分。在某些平台中,负荷管理单元负责监控功率分配并确保关键负荷的最高优先级。
 
图2显示了一个具有电流和温度传感功能的三相模块,通常安装在起动交流发动机上。重要的是,这种基本的ISA非常适合于现有平台的转换,因为这种转换是最小的,而且成本可以忽略不计。这一点非常重要,因为它有助于支持全电动操作技术快速进入市场,即使在汽车中引入更先进的子系统之前,也能有效地进行成本效益的优化。欧洲的一些中小型汽车已经准备好装备这项技术,因为它可以以一种完全透明的方式为用户节省车辆在“停下来”操作中的燃油消耗。
 
提高电气性能
 
图3:显示了电气箱如何以有效的空间方式向集成在发动机和变速箱部分之间的电机提供电流。
 
 
汽油机在红灯时停止运转,但其他部件仍在电力驱动下工作。电力储存在42V铅酸电池和超级电容器的组合中,具有最强的响应能力。一旦交通灯变绿,驾驶员踩油门,启动机的交流发动机将启动,使汽车在发动机启动过程中以蓄电池电源启动,几乎没有延迟或干扰。
 
在发动机短暂中断期间,为了确保配件的完整功能,需要电动液压泵提供动力方向盘(动力方向盘预计在未来将被全电动EPS替代,然后是液压油将被取消)。同样,传统的空调系统也可以进行智能控制。为了在冬季保持驾驶室的温度,电动泵可以连续循环热水,而在夏季,电动泵可以连续循环干冷空气。
 
这些原则已体现在现有的“轻型混合动力”多用途车辆中。与传统车辆相比,这种新型车辆采用再生制动和“停车走行”功能牵引相同的货物,可节省10%至15%的燃油消耗。
 
干电池/超级电容网络还可以为插入用户输出端口(如点烟器插座)的电路板或设备上的电气元件提供电力。如图4所示,ISA顶层方块图表明,与电池并联的电容器可以提高电路板上新增电气子系统的功率需求,这在制动能量回收中起到了重要作用。
 
图4:带电池的并联电容器可以提高电路板上新增电气子系统的功率需求。
 
 
设计师现在受益于高性能无传感器架构。与感应电机相比,无刷直流电机具有效率高、可控性强等优点,在结构上得到了广泛的应用。虽然表面上这看起来很像工业伺服驱动,实际上他们本质上是不同的。7.5-12kw工业伺服驱动年产量约80000台,单车平台驱动数量远大于此。从技术角度来看,用于这些驱动器的电源模块必须能够承受行业目前未知的强大压力。这些电源模块必须能够在150摄氏度环境温度下传输所有电力,效率极高,寄生效应最小。最后,这些电源模块还必须尽量减少对现有平台的修改,使产品以几乎可以忽略不计的成本进入汽车市场。
 
图5所示的模块专门为42V“轻型混合动力”车辆设计。该模块有一个半桥结构,由两个大功率MOSFET芯片(每个区域150平方毫米)组成,可以在42V总线上交换600安培电流。为了降低热压力,FET被安装在陶瓷基板上,陶瓷基板的温度系数与硅片完全匹配。先进的引线键合技术确保模块能够承受与汽车环境密切相关的温度和功率循环变化。在设计中,电源线必须与重叠的信息传输线完美匹配,以使杂散电感最小化,使其小于8NH。为了使电磁干扰灵敏度降到最低,在覆盖模块的小型印刷电路板上还应安装栅极驱动、感应和保护。栅极驱动电路可以在20kHz频率下驱动这些场效应管,并且还可以在微型电路板上进行感应和电子参数的分析。
 
升级至完全电气操作
 
 
随着功率平衡从发动机向电机的传递,母线电压的升高具有越来越重要的现实意义。与降低成本和简化设计相比,降低导通损耗无疑更为显著。在电子器件设计中,导电损耗决定了硅片的尺寸、封装和换热器。由于电导损失与电流的平方成正比,因此将总线电压从42V增加到300V将使电导损失减少50倍,而其他指标保持不变。
 
考虑到这些因素,目前在街道上行驶的大多数“全混合动力”汽车的总线电压都在180V到300V之间。参考图5所示的相同模块采用了600V IGBT架构,可以将输出功率提高40%到60%。
 
在不久的将来,两个总线电压可能会在同一个平台上共存。14V总线仍然很有吸引力,因为在14V环境中开发了大量功能。因此,有必要在动力往返传输的两条总线之间引入一个双向DC-DC变换器,这也将成为系统架构的一个关键部分,因为变换器需要为车辆提供必要的动力,以便在条件为为了尽可能降低成本和提高功率密度,转换器可以与电机驱动装置集成:共用相同的总线电容、总线布局和热交换器。图6显示了一个1.5千瓦的转换器,它与ISA共享总线电容。该变换器采用了一种非传统的拓扑结构,即纹波转向,可以最大限度地降低反应器器件的性能指标。转换器的转换效率为92%,偏差为5%或0.7V,功率密度为2W/cm3。
 
图6:显示了一个1.5千瓦的转换器,与ISA共享总线电容。
 
 
本文摘要
 
内燃机在100多年的发展中,已经达到了性能改进的极限。驾驶员很难使用任何其他替代技术来达到理想的发动机性能和效率。但内燃机必然会被环保压力所取代,更不用说传统燃料资源的有限性将进一步推动这一进程。
 
鉴于上述考虑,汽车行业目前正在研究替代解决方案,其中大多数方案严重依赖于电气操作。如果当前的汽车电子市场已经影响到通用电子设备和功率半导体,未来电动汽车的需求将有助于建立一套新的基准,包括功率处理性能、工作温度、价格敏感性和稳健性。先进的运动控制和电源管理模块已进入市场,以满足上述性能要求。这些替代方案将在后汽油时代的汽车工程师个性化车辆设计中发挥重要作用。
 
 

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