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電力電子技術(shù)在汽車直流總線下的應(yīng)用

時(shí)間:2010-04-23 11:32:06來源:zhaofang

導(dǎo)語(yǔ):?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。

      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)荷的情況下,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??刂疲岣呷加托?。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。

 新型電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械耦合

     
圖1顯示了這一新型電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械耦合(同軸耦合)

      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。

      從當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀看,日本汽車廠家多采用永磁無刷直流機(jī);大部份美國(guó)廠家選用異步機(jī);而在歐洲,兩種電機(jī)都有應(yīng)用。當(dāng)然,另外兩種電機(jī)也處于很活躍的試驗(yàn)研究階段。最終的電機(jī)選擇將依賴于功率等級(jí)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的成本,電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合方式,以及系統(tǒng)性能的全面考慮。

 開關(guān)模塊


      2. 功率驅(qū)動(dòng)及控制


      一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(ISA)系統(tǒng)包括電機(jī)與相關(guān)的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng),如圖2所示。功率驅(qū)動(dòng)是連接蓄電池與電機(jī)的界面。它實(shí)現(xiàn)直流與交流之間的能量轉(zhuǎn)換。

      對(duì)于一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng),功率驅(qū)動(dòng)是一個(gè)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)占整個(gè)一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)價(jià)格的60%到90%。因此,對(duì)于對(duì)價(jià)格非常敏感的汽車工業(yè),在滿足性能要求的基礎(chǔ)上,降低成本成為一個(gè)贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵。

      從性能及導(dǎo)熱設(shè)計(jì)的角度,功率元件的尺寸越大越好。而從價(jià)格上看,當(dāng)然晶片的尺寸越小越經(jīng)濟(jì)。所以,功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

      在汽車應(yīng)用中,由于直流總線的電壓是42V,因此對(duì)于這一大電流小電壓的應(yīng)用領(lǐng)域,MOSFET是當(dāng)然的選擇。然而,因?yàn)榍皺C(jī)蓋下的工作溫度在 到+ 之間,這對(duì)MOSFET提出了非常高的要求。同時(shí),由于電機(jī)的頻繁起停和負(fù)載變化,瞬態(tài)電流會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的幾倍。因此,對(duì)元件的過流能力及散熱設(shè)計(jì)都要有較高要求。

      此外,MOSFET的導(dǎo)通電阻要盡量減低以達(dá)到降低導(dǎo)通損耗的目的。而導(dǎo)通電阻和擊穿電壓成反比,因而,MOSFET的擊穿電壓要盡量低。但是,電路中的雜散電感會(huì)在MOSFET關(guān)斷過程中引起電壓過沖而使MOSFET工作于雪崩狀態(tài),從而使開關(guān)損耗增加。因而,從減低開關(guān)損耗的角度看,擊穿電壓要高才好。將這兩個(gè)要求折衷考慮,擊穿電壓75V到100V的MOSFET為較優(yōu)化的選擇。

      另外,散熱及可靠性也都須在元件選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中給以考慮。不僅如此,在這一應(yīng)用中,采用單一的大尺寸MOSFET成本較高。為降低價(jià)格,常采用小尺寸MOSFET并聯(lián)以滿足功率要求,所以,元件間要有很好的參數(shù)一致性,并且要合理布局電路來均布雜散電感,以防負(fù)荷不均勻引起元件損壞。

      國(guó)際整流器(IR)公司針對(duì)這一應(yīng)用設(shè)計(jì)了幾種MOSFET,例如 IRBT2907,IRFB3808及更新型的針對(duì)汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的溝道形MOSFET。這些產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是:極低的導(dǎo)通電阻(Rdson),以滿足低導(dǎo)通損耗的要求;極小的開關(guān)時(shí)間,以減低開關(guān)損耗。同時(shí),為降低及有效控制雜散電感,IR也提供模塊解決方案。如圖3所示,兩個(gè)并聯(lián)的MOSFET芯片構(gòu)成一個(gè)開關(guān),其驅(qū)動(dòng)電路則與其緊湊的設(shè)計(jì)在一起。這一開關(guān)可承受600A的峰值電流。

 集中式直流轉(zhuǎn)換器


      除了對(duì)功率元件的要求外,一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)也對(duì)控制系統(tǒng)提出了較高的要求。首先,電機(jī)要能在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速,并實(shí)現(xiàn)功率控制。同時(shí),作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),要同時(shí)具有穩(wěn)定42V直流總線電壓的功能;其次,要有完善的保護(hù)功能,以達(dá)到汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn);最后還要嚴(yán)格控制價(jià)格,例如,去掉昂貴的位置傳感器,利用電流、電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制,從而減低成本。V總線成為汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),從14V到42V的轉(zhuǎn)換仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。即兩種電壓系統(tǒng)要共存。所以一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器將成為必需。圖4顯示了集中式直流/直流轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。

 電助力方向盤控制系統(tǒng)


      當(dāng)一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí),不但36V蓄電池會(huì)被充電,12V蓄電池也會(huì)通過直流/直流轉(zhuǎn)換器而被充電。兩個(gè)電壓系統(tǒng)各自帶動(dòng)相應(yīng)負(fù)載。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí),直流/直流轉(zhuǎn)換器可以控制功率的流向以平衡負(fù)載。如果在起動(dòng)時(shí)36V蓄電池電壓過低,汽車需要跳起動(dòng)(JUMP START) 。這時(shí),直流/直流轉(zhuǎn)換器可以通過本車上或另外車上的12V電源來帶動(dòng)起動(dòng)機(jī),從而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

      由于直流/直流轉(zhuǎn)換器工作在100KHz到150KHz的開關(guān)頻率下,因此功率元件的開關(guān)損耗將占總損耗的大部份。所以要求功率元件有盡量快的開關(guān)速度,即盡量小的柵電荷。然而,如果開關(guān)速度過快,本征二極管的反向恢復(fù)過程(如圖5)會(huì)很硬。即 很大,從而使段的di/dt非常高。這會(huì)在雜散電感的影響下 引起漏極與源極間電壓很大的波動(dòng)(Ringing)。這一過程所產(chǎn)生的損耗并不顯著,然而,它所產(chǎn)生的高頻電磁干擾(EMI)◆會(huì)通過傳導(dǎo)(Conductive EMI) 和放射(Radiated EMI) 的方式對(duì)汽車◆的其他電器產(chǎn)生影響。例如,這一高頻電磁干擾通過直流總線傳輸?shù)揭纛l電路中,從而干擾調(diào)頻收音機(jī)的收聽效果。

      所以,從設(shè)計(jì)角度上,要求MOSFET有盡量小的反向恢復(fù)電荷,并有盡量軟的恢復(fù)過程。從而使電磁干擾在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限度內(nèi)。否則,對(duì)電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)要求會(huì)更高,成本也會(huì)大幅度提高。

      電助力方向盤控制(EPAS-Electric Power Assistant Steering)
    傳統(tǒng)的助力方向盤系統(tǒng)是液壓系統(tǒng),所以即使沒有任何轉(zhuǎn)向動(dòng)作,液壓泵也要始終工作。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)損耗增加,燃油效率降低。而電助力方向盤系統(tǒng)則很好的解決了這一問題。當(dāng)方向盤動(dòng)作時(shí),位置或轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過傳感器送到控制單元(MCU),控制單元控制逆變器以驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)或開關(guān)磁阻電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)方向盤靜止時(shí),電機(jī)停止,沒有任何能量損耗。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率因此提高。

      這一系統(tǒng)與一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)很接近,只是控制是點(diǎn)位控制不是速度控制,且功率級(jí)別要低得多。

      由于電機(jī)在這一系統(tǒng)中工作于頻繁起停的狀態(tài),瞬態(tài)電流會(huì)因?yàn)殡s散電感的影響而引起很高的電壓過沖。所以,如用離散元件設(shè)計(jì)的逆變器,電路板和連線要小心安排以降低雜散電感。如果對(duì)性能有更高的要求,將功率驅(qū)動(dòng)部份作成模塊是一個(gè)很好的解決方案。

 

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

 


      由于這一應(yīng)用的電流較低,很多新的電力電子技術(shù)已被應(yīng)用于這一領(lǐng)域。其一是智能開關(guān)(IPS - Intelligent Power Switch),它將多種保護(hù)和診斷功能集成在同一芯片上,從而使其可靠性大大提高;其二是帶溫度感應(yīng)及電流感應(yīng)功能的MOSFET,例如HEXSENSE。它可以直接反饋和電流成正比的電壓信號(hào),從而省去了昂貴的電流傳感器。

      不僅是上面所提到的幾個(gè)系統(tǒng),其他的汽車電器系統(tǒng)也都在向42V轉(zhuǎn)換,例如防抱閘系統(tǒng)(ABS)。動(dòng)態(tài)懸掛系統(tǒng)(EAS-Electric Active Suspension)。發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁閥控制(EMV-Electromechanical Engine Valves), 而所有這些轉(zhuǎn)換都和電力電子技術(shù)緊密相連。

      需要說明的是,一體化電機(jī)系統(tǒng)及整個(gè)42V系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用不僅取決于系統(tǒng)安全性、舒適性及燃油效率的提高,還取決于與傳統(tǒng)技術(shù)相比其價(jià)格的可比性。對(duì)于消費(fèi)者來講,汽車內(nèi)部的電器系統(tǒng)是14V還是42V無關(guān)緊要,性能價(jià)格比才是一個(gè)重要因素。所以,降低功率元件的成本將對(duì)這一新系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用起到重要作用。

 
 

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