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作者：國(guó)際整流器公司汽車產(chǎn)品事業(yè)部應(yīng)用工程師Masashi Sekine, 產(chǎn)品經(jīng)理Jifeng Qin 在2011年全球生產(chǎn)的近8,000萬(wàn)輛汽車中，內(nèi)燃機(jī)(ICE)系統(tǒng)仍然是車輛推進(jìn)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。然而，改變即將發(fā)生——實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生。一方面，飛速上漲的油價(jià)加重了每一個(gè)駕駛員的負(fù)擔(dān)。另一方面，如今各國(guó)的排放法規(guī)都變得越來(lái)越嚴(yán)格。在歐洲，汽車的CO2排放量要符合EU和汽車制造商達(dá)成的自愿協(xié)議的要求，但是由于整體效果離自愿目標(biāo)還遠(yuǎn)著呢，所以已經(jīng)推出了相關(guān)法規(guī)。同時(shí)，歐6標(biāo)準(zhǔn)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行業(yè)面臨更大的挑戰(zhàn)，但是汽車制造商的底線仍然是滿足標(biāo)準(zhǔn)。 很明顯，降低燃料消耗是滿足嚴(yán)格要求的關(guān)鍵，并且今后10年內(nèi)各種配置的油電混合動(dòng)力汽車(HEV)市場(chǎng)都將蓬勃發(fā)展：微混合、輕度混合、全混合和插電式混合，更不用說(shuō)新型電動(dòng)汽車(EV)了。預(yù)計(jì)到2020年一定要HEV/EV才能滿足CO2排放目標(biāo)。從2009年到2020年，EV/HEV年需求量預(yù)測(cè)(單位：百萬(wàn)輛)如圖1所示�？偟膩�(lái)說(shuō)，HEV/EV生產(chǎn)具有+31%的CAGR，2020年HEV/EV產(chǎn)量將達(dá)到5,000萬(wàn)輛，占汽車總產(chǎn)量的50%左右，并且大部分汽車采用微混合動(dòng)力系統(tǒng)。 
圖1：EV/HEV年需求量預(yù)測(cè)。 微混合動(dòng)力系統(tǒng)和全/插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要區(qū)別在于它是否利用電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。微混合動(dòng)力系統(tǒng)，亦即起止系統(tǒng)，先關(guān)閉，然后重新啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，用以降低引擎空轉(zhuǎn)(例如等待交通信號(hào)燈或堵車時(shí)頻繁停車)時(shí)間。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)除了具有起止特性以外，還具有再生制動(dòng)系統(tǒng)。借助于這些技術(shù)，混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性通常比傳統(tǒng)汽車高5%~10%。 表1：HEV類型(按功能分)。
市面上有很多種起止系統(tǒng)。第一種叫做超級(jí)起動(dòng)器，超級(jí)起動(dòng)系統(tǒng)一般包含穩(wěn)定的DC起動(dòng)器和1個(gè)電池管理系統(tǒng)。據(jù)估計(jì)，由于成本低，它代表著2/3的起止系統(tǒng)市場(chǎng)。其平均成本為80美元，包括寶馬在內(nèi)的很多汽車制造商都采用這項(xiàng)技術(shù)。第二種起止系統(tǒng)是皮帶驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)起動(dòng)器(BAS)，BAS系統(tǒng)包含平均功率為1.5kW~3kW(典型值)的DC/AC逆變器，該系統(tǒng)噪聲更低。其終端用戶價(jià)格估計(jì)為300美元，重啟時(shí)間僅400ms，適于中檔汽車。最后，在傳統(tǒng)起止系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的寒冷條件下，雙電池解決方案或DC/DC升壓解決方案可用于保持總線電壓，詳情見下一節(jié)。 雙電池技術(shù)的典型系統(tǒng)框圖如圖2所示。ICE運(yùn)行時(shí)，電源開關(guān)Q1保持接通狀態(tài)，這樣負(fù)載就完全由主電池(Vbat)以及交流發(fā)電機(jī)供電。停車時(shí)，ICE關(guān)閉，只有Vbat為負(fù)載供電。引擎重新啟動(dòng)時(shí)，主電源Vbat還需要為啟動(dòng)電機(jī)提供高達(dá)1,000A的大瞬態(tài)電流，這會(huì)導(dǎo)致Vbat終端處的瞬態(tài)電壓降至6V。為了防止電力電子電路由于電池發(fā)生瞬態(tài)事件而關(guān)閉，控制器會(huì)向Q1發(fā)送一個(gè)關(guān)閉信號(hào)，以便斷開Vbat與負(fù)載的連接。同時(shí)，輔助電池(Vaux)會(huì)為負(fù)載供電，并保持電池電壓。引擎成功重啟且交流發(fā)電機(jī)重新開始工作之后，Q1接通，系統(tǒng)回到車輛運(yùn)行模式。電源開關(guān)Q1和控制器還是電池反接保護(hù)電路的一部分。如果Vbat反接，Q1就會(huì)保持關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)榭刂破鳑]有發(fā)出信號(hào) - 它通過終止反向電流路徑來(lái)保護(hù)負(fù)載上的電路。
圖2：微混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的雙電池開關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)框圖。 另一種方法的配置類似，但是采用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，而不是輔助電池，如圖3所示。引擎重新啟動(dòng)時(shí)，旁路開關(guān)Q1會(huì)將主電池(Vbat)與負(fù)載斷開，DC/DC轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)過程中為負(fù)載提供升壓。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器由1個(gè)電感、2個(gè)電源開關(guān)(Q2和Q3)和1個(gè)輸出電容組成。Q2接通時(shí)，所有能量均儲(chǔ)存在電感處 - 在此期間Q3斷開，然后在Q2斷開的時(shí)候，電感通過Q3將能量傳遞給負(fù)載。Q2的占空比取決于主電源上的電壓和負(fù)載終端上的電壓。PWM控制器在連續(xù)導(dǎo)通模式下控制這種同步DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器以保持Vload。
圖3：微混合動(dòng)力系統(tǒng)采用的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞南到y(tǒng)框圖。 國(guó)際整流器(IR)公司為微混合動(dòng)力系統(tǒng)提供了汽車級(jí)系統(tǒng)解決方案。對(duì)于電池開關(guān)，表面貼裝MOSFET AUIRF1324S-7P的最高導(dǎo)通電阻Rds(on)(最大值)低至1mΩ，而輸出電流則高達(dá)240A。對(duì)于引腳封裝，IR提供了采用傳統(tǒng)TO-262封裝的AUIRF1324L，其最高Rds(on)為1.65mΩ，并且可以利用采用新型WideLead TO-262封裝的產(chǎn)品AUIRF1324WL將最高Rds(on)值降低20%左右。引線越寬意味著在MOSFET源極處安裝內(nèi)部接線的空間越多，從而降低了Rds(on)，改善了封裝內(nèi)的線焊，進(jìn)而將最大額定漏電流提高了30%左右。24V 1324系列的所有MOSFET均適于電池開關(guān)應(yīng)用。IR還擁有Rds(on)低至1.25mΩ的40V汽車級(jí)MOSFET，適于DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。 IR汽車級(jí)高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器AUIR3240S專門為驅(qū)動(dòng)起止應(yīng)用的電池電源開關(guān)而設(shè)計(jì)，如圖4所示。AUIR3240S是一款起止系統(tǒng)專用高集成度升壓轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)在堵車時(shí)幫助汽車暫停引擎運(yùn)行。該系統(tǒng)需要一個(gè)“板網(wǎng)穩(wěn)定器”，通過電源開關(guān)在引擎啟動(dòng)時(shí)將輔助電力系統(tǒng)與起動(dòng)器和主電池?cái)嚅_。AUIR3240S可以并行驅(qū)動(dòng)幾個(gè)MOSFET，能夠?qū)崿F(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻(Rds(on))和低于50?A的電流消耗。新器件可以提供15V輸出電壓，而且輸入電壓范圍很寬(4~36V)。AUIR3240S 還可以診斷輸出電流，并具備適于穩(wěn)定設(shè)計(jì)的熱傳感器接口。
圖4：采用AUIR3240S和AUIRF1324S-7P的雙電池系統(tǒng)解決方案。 微混合動(dòng)力起止系統(tǒng)的光明前途取決于很多因素——如何降低啟動(dòng)電壓降、如何將更多的電子器件整合到起動(dòng)器中、新電池技術(shù)的發(fā)展方向如何……考慮到微混合動(dòng)力系統(tǒng)的巨大潛力，電力電子供應(yīng)商和汽車制造商一定會(huì)找到合適的解決辦法。 |
