先进的汽车动力电气系统开创混合动力新时代
者具有本质区别。7.5至12kW工业伺服传动的年产量约为8万套,而单个汽车平台上的传动数目就远超过这个数字。从技术的角度看,用于这些传动的动力模块必须承受至今工业界尚未可知的强大压力。这些动力模块必须能以极高的效率及最小的寄生效应在150°C环境温度下传送全部电动力。最后,这些动力模块还必须对现有平台的改造最小并能以几乎可以忽略不计的成本使产品打入汽车市常 图5:所示模块专为42V"轻度混合动力"汽车设计。 图6:显示了与ISA共享总线电容的1.5kW转换器。
图5所示的模块专为42V"轻度混合动力"汽车设计。该模块具有由两个能在42V总线上交换600A电流的大动力MOSFET芯片(每个面积为150mm2)构成的半桥式结构。为了减少热压力,FET安装在温度系数与硅片完全匹配的陶瓷基片上。先进的引线接合技术确保该模块可以抵御与汽车环境紧密相关的温度周期变化和动力周期变化影响。设计中,电源线必须与层叠的信息转移线路完全匹配,从而尽可能减小杂散电感,使其低于8nH。为了尽可能减小EMI敏感度,还应在覆盖模块的小型PCB上安装门极驱动、感应和保护。门极驱动电路可在20kHz频率下驱动这些FET,而感应和电子参数的解析也能在该小型电路板上执行。
提升到全电气操作
正是出于上述考虑,现在驰骋在大街小巷上的大多数"完全混合动力"汽车的总线电压介于180V至300V之间。作为参考,图5给出的相同模块采用600V IGBT架构,传送的输出动力可以增加40%至60%。
近期,两种总线电压很可能会共存在同一平台上。14V总线仍然颇具吸引力,因为目前已在14V环境下开发了大量功能。因此,需要在两种总线之间引入双向直流到直流转换器进行动力穿梭传送,这也将成为系统架构的关键部分,因为需要该转换器为14V条件下的汽车发动提供必要的动力。为了尽可能降低成本并增加动力密度,转换器可以与电机驱动集成:共享相同的总线电容、母线布局和热交换器。图6显示了与ISA共享总线电容的1.5kW转换器,该转换器采用了一种称为"波纹转向(ripple steering)"的非传统拓朴结构,这种结构可以尽可能降低电抗器件的规格。转换器的转换效率为92%,偏差为5%或0.7V,动力密度为2W/cm3。
内燃引擎在其100多年的发展历程中,已经达到性能提升的极限。驾驶员现在期望的引擎性能和效率采用任何其他替代技术都很难实现。但内燃引擎迫于环保压力注定将被取代,更何况有限的传统燃料资源将进一步推动这一进程。
出于上述考虑,现在汽车产业正致力于研究各种替代方案,而绝大多数方案在很大程度上都依赖于电气操作。如果当前汽车电子市场对通用电子器件和动力半导体带来了冲击,那么对未来电动车的需求将有助于建立一整套新基准,包括动力处理性能、工作温度、价格敏感度和鲁棒性。先进的运动控制和动力管理模块已经进入市场,可以满足上述性能需求。这些替代方案将在后汽油时代汽车工程人员设计个性化交通工具中发挥至关重要的作用。
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