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电机及控制在42V车用系统上的应用 |
当今汽车技术发展的一个主要趋势就是从14V系统到42V系统的转换。由于汽车内电器的不断增加，在未来几年内，其总功率将达到并超过3KW水平。 考虑到安全及经济性，42V系统成为一个理想的选择。之所以选择42V，是因为人体所能接触的安全电压的上限是直流60V。在考虑到电压波动的裕量后，42V成为一个很优化的选择。采用这一电压，首先可以免去额外的绝缘设计，从而降低成本。其次，传输同样的直流功率，电流只有14V系统的三分之一，从而减低了电机(推荐:直流减速电机)及电力元件的电流负荷，也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的近九分之一，从而可以减小导线截面积以降低重量。从另一个角度说，在保持同样电流负荷的情下，传输功率会提高到原来的三倍。
42V系统的应用将影响整个汽车电器系统的结构及特性。其中几个主要的变化将是一体化起动/发电机，直流/直流转换器和电助力方向盘控制。 一体化起动/发电机系统 (ISA：Integrated Starter/Alternator) 一体化起动/发电机系统是42V系统中的一个热点。之所以整合汽车的起动电机和发电机成为一个一体的双用途电机，是因为汽车内电器的功率要求。一般家用汽车的起动电机功率在3KW左右，而发电机功率在1KW。但随嗬汽车内电器的日益增多，发电机功率将在不久的将来达到3KW的水平。因此使一体化成为可能。另外，由于起动与发电是两个相互独立的过程，因而如将这两种电机一体化，材料利用率将提高，前机盖下的可利用空间也将可提高。不仅如此，传统发电机的效率很低，大约为50%到60%。而一体化电机在发电机状态，其效率可达80%。
另外，这一技术可以实现发动机的起停控制，提高燃油效率。就是说，当汽车在交通灯前停止时，关闭发动机。在起动时，先由起动机带动发动机达到一定转速，再给发动机点火。由于发动机在从零转速达到额定的加速过程中是燃油效率最低，燃烧最不充分的，因而，采取这一措施会提高燃油效率并降低污染。 一体化起动/发电机的另一个特点是可再生制动。即在制动过程中，将机械能转化为电能给蓄电池充电，从而提高发动机效率 这一设计的主要挑战来自两个方面。一方面是电机设计，一方面是功率驱动及控制。
1. 电机设计 在电机设计上，首先的问题是选用何种电机。众所周知，电机的设计要么基于电动机运行，要么基于电机运行。要折衷设计出一个电机来完成电动与发电功能，优化设计是关键。 当前主要有四种电机可作为候选。 第一种是永磁无刷直流电机。它单位体积输出功率高、体积小、起动转矩大。问题一是转矩脉动，二是需要较贵的位置传感器，三是永磁材料成本高，且在短路或重载运行时会去磁。 第二种电机是异步机。它的优点是结构简单，维护简便， 控制技术成熟。缺点是体积大，功率调速范围窄，而且起动电流大，因而对逆变器功率元件要求较高。 第三种电机是永磁同步电机。它的特点是控制灵活、调速范围宽、力矩波动小。缺点一是永磁材料会在重载下去磁， 二是驱动控制系统成本高。 最后一种电机是开关磁阻电机。优点是高速性能优越，结构简单，相间耦合小，可以缺相运行。缺点是噪音高，驱动电路特殊，成本高。 从当前的应用现状看，日本汽车厂家多采用永磁无刷直流机；大部份美国厂家选用异步机；而在欧洲，两种电机都有应用。当然，另外两种电机也处于很活跃的试验研究阶段。最终的电机选择将依赖于功率等级、电机及驱动电路的成本，电机与发动机的耦合方式，以及系统性能的全面考虑。
2. 功率驱动及控制 一体化起动/发电机(ISA)系统包括电机与相关的驱动与控制系统，功率驱动是连接蓄电池与电机的界面。它实现直流与交流之间的能量转换。 对于一体化起动/发电机系统，功率驱动是一个更严峻的挑战。由于驱动及控制系统占整个一体化起动/发电机系统价格的60%到90%。因此，对于对价格非常敏感的汽车工业，在满足性能要求的基础上，降低成本成为一个赢得市场的关键。 从性能及导热设计的角度，功率元件的尺寸越大越好。而从价格上看，当然晶片的尺寸越小越经济。所以，功率驱动系统的优化设计至关重要。
在汽车应用中，由于直流总线的电压是42V，因此对于这一大电流小电压的应用领域，MOSFET是当然的选择。然而，因为前机盖下的工作温度在 到+ 之间，这对MOSFET提出了非常高的要求。同时，由于电机的频繁起停和负载变化，瞬态电流会达到稳态电流的几倍。因此，对元件的过流能力及散热设计都要有较高要求。
此外，MOSFET的导通电阻要尽量减低以达到降低导通损耗的目的。而导通电阻和击穿电压成反比，因而，MOSFET的击穿电压要尽量低。但是，电路中的杂散电感会在MOSFET关断过程中引起电压过冲而使MOSFET工作于雪崩状态，从而使开关损耗增加。因而，从减低开关损耗的角度看，击穿电压要高才好。将这两个要求折衷考虑，击穿电压75V到100V的MOSFET为较优化的选择。
另外，散热及可靠性也都须在元件选择及系统设计中给以考虑。不仅如此，在这一应用中，采用单一的大尺寸MOSFET成本较高。为降低价格，常采用小尺寸MOSFET并联以满足功率要求，所以，元件间要有很好的参数一致性，并且要合理布局电路来均布杂散电感，以防负荷不均匀引起元件损坏。
国际整流器(IR)公司针对这一应用设计了几种MOSFET，例如 IRBT2907，IRFB3808及更新型的针对汽车应用设计的沟道形MOSFET。这些产品的共同特点是：极低的导通电阻(Rdson)，以满足低导通损耗的要求；极小的开关时间，以减低开关损耗。同时，为降低及有效控制杂散电感，IR也提供模块解决方案。如图3所示，两个并联的MOSFET芯片构成一个开关，其驱动电路则与其紧凑的设计在一起。这一开关可承受600A的峰值电流。
除了对功率元件的要求外，一体化起动/发电机也对控制系统提出了较高的要求。首先，电机要能在宽广范围内平滑调速，并实现功率控制。同时，作为发电机运行时，要同时具有稳定42V直流总线电压的功能；其次，要有完善的保护功能，以达到汽车工业的标准；最后还要严格控制价格，例如，去掉昂贵的位置传感器，利用电流、电压信号实现无位置传感器控制，从而减低成本。 电助力方向盘控制(EPAS-Electric Power Assistant Steering) 传统的助力方向盘系统是液压系统，所以即使没有任何转向动作，液压泵也要始终工作。因此，发动机损耗增加，燃油效率降低。而电助力方向盘系统则很好的解决了这一问题。当方向盘动作时，位置或转矩信号通过传感器送到控制单元(MCU)，控制单元控制逆变器以驱动无刷直流电机或开关磁阻电机带动车轮转动。而当方向盘静止时，电机停止，没有任何能量损耗。发动机燃油效率因此提高。 这一系统与一体化起动/发电机的驱动很接近，只是控制是点位控制不是速度控制，且功率级别要低得多。 由于电机在这一系统中工作于频繁起停的状态，瞬态电流会因为杂散电感的影响而引起很高的电压过冲。所以，如用离散元件设计的逆变器，电路板和连线要小心安排以降低杂散电感。如果对性能有更高的要求，将功率驱动部份作成模块是一个很好的解决方案。 由于这一应用的电流较低，很多新的电力电子技术已被应用于这一领域。其一是智能开关(IPS - Intelligent Power Switch)，它将多种保护和诊断功能集成在同一芯片上，从而使其可靠性大大提高；其二是带温度感应及电流感应功能的MOSFET，例如HEXSENSE。它可以直接反馈和电流成正比的电压信号，从而省去了昂贵的电流传感器。 不仅是上面所提到的几个系统，其他的汽车电器系统也都在向42V转换，例如防抱闸系统(ABS)。动态悬挂系统(EAS-Electric Active Suspension)。发动机的电磁阀控制(EMV-Electromechanical Engine Valves)， 而所有这些转换都和电力电子技术紧密相连。
需要说明的是，一体化电机系统及整个42V系统的广泛应用不仅取决于系统安全性、舒适性及燃油效率的提高，还取决于与传统技术相比其价格的可比性。对于消费者来讲，汽车内部的电器系统是14V还是42V无关紧要，性能价格比才是一个重要因素。所以，降低功率元件的成本将对这一新系统的实际应用起到重要作用。
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