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作者：Frank Dehmelt 和 Mahmoud Harmouch，德州儀器 本文將介紹什么是啟停系統以及汽車啟停系統的先決條件，包括它的實施與優勢。 燃油節省與CO2減排范圍在5%至10%之間。隨著燃油價格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對減少汽車排放量的要求，我們需要采用各種措施來提高效率，降低排放。 高效節能、環保和低稅率是汽車吸引客戶的屬性特征。有大量選項可使這類汽車變得更經濟。混合動力或電動汽車就是其中的兩種選項，但成本依然相當高。純電動汽車需要快速充電和密集的充電站網絡，而混合動力汽車則存在兩個引擎的負擔。 通過為汽油及柴油汽車實施啟停技術，可以使能效顯著提升5%至10%。 啟停是指可在汽車怠速時停止發動機運行的系統，例如在等交通信號燈時可減少排放量，提高燃油效率。只需踩手動檔汽車的離合器或者自動擋汽車的加速器就能使發動機再次啟動。在需要動力的情況下，如果汽車開始移動，可能需要制動壓力。或者，如果AC 單元耗電過多，發動機會自動重新啟動。 啟停實施需要一些先決條件。由于起動器使用更加頻繁，因此在大多數情況下需要使用容量更大的電池。此外，經常使用發電機與起動器組合或者集成型起動器發電機(ISG)替代傳統方案。這樣可實現制動能量重復使用。因此，發電機需要支持明顯高于普通發電機的電流。起動器已適合該需求，因此需要添加支持充電的電子器件，這一工作比較簡單。 制動能量的重復使用有助于提高整體能效，因為在正常駕駛過程中需要較小的充電。不過，這還需要不同的電池特性來實現快速充電。此外，還需要傳感發動機溫度和外部溫度等環境數據，其可能會在特定條件下阻止啟停。例如，如果發動機較冷，燃油效率就會比較低，而且啟動所需功率也會比較高。 此外，啟停還需要電池監控，因為較弱的電池無法實現重啟。在這種情況下，啟停功能會被禁用。如果發動機停止工作，那么由發動機皮帶帶動的水泵和空調等功能也會停止。要在啟停過程中支持這些功能的運行，需要使用電機代替皮帶來驅動這些負載。（圖1） 
圖1：汽車系統中電氣負載及其電源的方框圖 通過DC/DC降壓轉換器將電池電壓降壓為儀表板及信息娛樂系統的電源。 低電池電壓會影響降壓轉換器的輸出以及這些電路板的電源。為維持恒定穩壓的電源，必須使用前置升壓級。前置升壓級的配置取決于所需的電源。 在啟動過程中，起動器的高負載會導致電池電壓大幅降低。對于冷啟動而言，在打開點火開關時，汽車的系統未加電，只有在發動機和發電機工作時才通電。 相反，在啟停過程中，系統已經加電運行，不會因電源不足而復位。現在，信息娛樂系統或高級駕駛員輔助系統(ADAS)具有啟動支持，可避免電源出現壓降。 一般曲線通常依照ISO7637-4脈沖形式，但電壓和持續時間會有變化（圖2）。
圖2：啟動脈沖電壓波形實例 根據ISO7637-2脈沖4，電池在5ms內降低至5V至6V的最低電壓（針對額定12V系統），并維持該值達40ms。然后，電壓升至6V至9.5V并維持20秒，隨后恢復到正常電壓值。 大部分原始設備制造商(OEM)的汽車啟動配置都使用ISO脈沖的變形。通常初始壓降更加重要。 今天，不僅可以找到低至3.6V的電壓，而且電壓進一步降低的趨勢也很明顯。壓擺率和持續時間等定時參數也可能會有所不同。有些不僅可在平坦區添加振蕩或延長初始脈沖，同時還可消除第二平坦區，例如在支持大眾冷啟動測試脈沖(VW80000)和戴姆勒克萊斯勒發動機啟動測試脈沖(DC-10615) 的情況下。 在任何情況下都要考慮從電池中汲取的電流。電源需求在30W范圍內的信息娛樂系統一般可從電池中汲取2.5A至3A的電流。如果電池電壓降至2V，那該系統會汲取超過15A的電流。因此，即便是在啟動脈沖過程中，電子器件也需要保持穩定，以便實現持續工作。可用的不同解決方案有前置升壓或升降壓。 前置升壓不僅可為整個系統提供電源，而且還位于電池與為處理器和音頻提供電源的降壓轉換器之間。它只在啟動時工作，在電池電壓降低時需要自行激活。它允許極低的電池電壓。但由于子系統需要升壓的總電源原故，電流要求會非常高。因此，升壓產品及其組件需要適應這樣的電流額定值。 使用分立式前置升壓產品或TPS43330-Q1或TPS43350-Q1產品系列，可實現模塊化解決方案。加入升壓電路組件后可實現啟動支持。如果不需要啟動支持，可移除升壓電路組件，無需對其余電源鏈進行任何改變。圖3是一般架構，圖4則是使用TPS43330-Q1的簡化實施方法。
圖3：采用前置升壓進行啟動補償
圖4：使用TPS43330-Q1實現一組前置升壓及兩組降壓的簡化實施方案 前置升壓電路中最重要的設計是實現較高的帶寬。需要足夠的帶寬，才能對電池電平的突然變化作出及時響應。這可在不連續電流模式下輕松實現。在不連續模式下，電感器峰值電流非常高，輸入電容RMS電流也是如此。這需要極大的輸入電容器，會對電路板空間產生不利影響。要避免這個問題，升壓電路應該為連續電流模式，但這會在環路中創建右半平面零點(RHPZ)。RHPZ會對電路帶寬產生不利影響。需要在高峰值電流與RHPZ之間進行權衡。 升降壓解決方案可將上述兩個電路級整合在一個穩壓器中（圖5）。
圖5：使用升降壓產品實現啟動補償 在降壓模式下，晶體管Q1的占空比可設定電壓VOUT。晶體管Q1的占空比可在10%至99%之間變化，主要取決于輸入電壓。如果峰值電感器電流超過了設定的閥值，Q2就會在這個周期內開啟（同步整流器）。否則，該電流會再次流經作為續流二極管的 Q2（異步整流器）。 同步或異步模式的檢查需要按每個周期逐步完成。要避免在Q1與Q2之間出現交叉傳導電流，在關閉Q1和打開Q2（或相反）時應引入固有延遲。在降壓模式下，晶體管Q3不需要，可關閉。可打開晶體管Q4，以降低功耗。 這種配置可實現最佳性能，而且在任何模式下，VOUT都可在3%的容差內穩壓（圖6）。
圖6：使用TPIC74100-Q1 實現升降壓的簡化實施方案 第三種方法是使用降壓轉換器為整個系統實現低電壓，例如3.3V（圖7）。此外，它還可為一個小型升壓轉換器供電，從而可為幾個仍然需要較高電壓的功能提供電源。
圖7：使用一個降壓及一個升壓電路的啟動補償 在大多數情況下，大部分系統都需要3.3V或更低的電源電壓。處理器通常支持 1V 電源，存儲器支持 1.35V、1.5V或1.8V，IO電壓大多為3.3V或1.8V。在絕大多數應用中，只有少數幾種情況需要更高電壓，通常是CAN接口和一些傳感器。只要最小啟動電壓支持足夠裕量，能讓降壓電路提供3.3V（在某些系統中甚至更低）電壓，這就是一種簡潔的方法，因為只有少量需要電壓高于降壓輸出的組件需要進行升壓。現在，相關組件可以更小、更便宜。該限制顯然是最小啟動電壓。 圖8是使用TPS65310A-Q1的簡化實施電路，其允許低至 4V 的輸入電壓提供3.8V的臨時電壓。例如，CAN收發器的5V電壓由升壓器提供。
圖8：使用 TPS65310A-Q1 的簡化實施方案：降壓電路后接升壓電路 表1：三種系統的優缺點：
結論 總之，啟停是一項優異的節油特性，比混合動力或純電動汽車簡單易行。因此，啟停技術的使用越來越廣泛。事實上下一步發展已經明確：帶巡航模式的啟停系統，即當汽車靜止不動以及制動和油門踏板都未踩下時將發動機關閉。例如，在下緩坡行駛時，啟停系統預計將會再節省10%的燃油，減少相應等級的排放。 |
