面向新兴微混合动力应用的先进电力电子解决方案

作者：国际整流器公司汽车产品事业部应用工程师Masashi Sekine, 产品经理Jifeng Qin

在2011年全球生产的近8,000万辆汽车中，内燃机(ICE)系统仍然是车辆推进领域的主导技术。然而，改变即将发生——实际上已经发生。一方面，飞速上涨的油价加重了每一个驾驶员的负担。另一方面，如今各国的排放法规都变得越来越严格。在欧洲，汽车的CO2排放量要符合EU和汽车制造商达成的自愿协议的要求，但是由于整体效果离自愿目标还远着呢，所以已经推出了相关法规。同时，欧6标准将逐渐生效，要求大幅降低氮氧化物的排放。所有这些因素都让汽车行业面临更大的挑战，但是汽车制造商的底线仍然是满足标准。

很明显，降低燃料消耗是满足严格要求的关键，并且今后10年内各种配置的油电混合动力汽车(HEV)市场都将蓬勃发展：微混合、轻度混合、全混合和插电式混合，更不用说新型电动汽车(EV)了。预计到2020年一定要HEV/EV才能满足CO2排放目标。从2009年到2020年，EV/HEV年需求量预测(单位：百万辆)如图1所示。总的来说，HEV/EV生产具有+31%的CAGR，2020年HEV/EV产量将达到5,000万辆，占汽车总产量的50%左右，并且大部分汽车采用微混合动力系统。


图1：EV/HEV年需求量预测。

微混合动力系统和全/插电式混合动力系统的主要区别在于它是否利用电动动力系统来驱动汽车。微混合动力系统，亦即起止系统，先关闭，然后重新启动内燃机，用以降低引擎空转(例如等待交通信号灯或堵车时频繁停车)时间。轻度混合动力系统除了具有起止特性以外，还具有再生制动系统。借助于这些技术，混合动力汽车的燃油经济性通常比传统汽车高5%~10%。

表1：HEV类型(按功能分)。


市面上有很多种起止系统。第一种叫做超级起动器，超级起动系统一般包含稳定的DC起动器和1个电池管理系统。据估计，由于成本低，它代表着2/3的起止系统市场。其平均成本为80美元，包括宝马在内的很多汽车制造商都采用这项技术。第二种起止系统是皮带驱动交流发电机起动器(BAS)，BAS系统包含平均功率为1.5kW~3kW(典型值)的DC/AC逆变器，该系统噪声更低。其终端用户价格估计为300美元，重启时间仅400ms，适于中档汽车。最后，在传统起止系统无法正常运行的寒冷条件下，双电池解决方案或DC/DC升压解决方案可用于保持总线电压，详情见下一节。

双电池技术的典型系统框图如图2所示。ICE运行时，电源开关Q1保持接通状态，这样负载就完全由主电池(Vbat)以及交流发电机供电。停车时，ICE关闭，只有Vbat为负载供电。引擎重新启动时，主电源Vbat还需要为启动电机提供高达1,000A的大瞬态电流，这会导致Vbat终端处的瞬态电压降至6V。为了防止电力电子电路由于电池发生瞬态事件而关闭，控制器会向Q1发送一个关闭信号，以便断开Vbat与负载的连接。同时，辅助电池(Vaux)会为负载供电，并保持电池电压。引擎成功重启且交流发电机重新开始工作之后，Q1接通，系统回到车辆运行模式。电源开关Q1和控制器还是电池反接保护电路的一部分。如果Vbat反接，Q1就会保持关闭状态，因为控制器没有发出信号 - 它通过终止反向电流路径来保护负载上的电路。


图2：微混合动力系统采用的双电池开关技术的系统框图。

另一种方法的配置类似，但是采用DC/DC升压转换器，而不是辅助电池，如图3所示。引擎重新启动时，旁路开关Q1会将主电池(Vbat)与负载断开，DC/DC转换器在启动过程中为负载提供升压。DC/DC升压转换器由1个电感、2个电源开关(Q2和Q3)和1个输出电容组成。Q2接通时，所有能量均储存在电感处 - 在此期间Q3断开，然后在Q2断开的时候，电感通过Q3将能量传递给负载。Q2的占空比取决于主电源上的电压和负载终端上的电压。PWM控制器在连续导通模式下控制这种同步DC-DC升压转换器以保持Vload。


图3：微混合动力系统采用的DC-DC升压转换器拓扑的系统框图。

国际整流器(IR)公司为微混合动力系统提供了汽车级系统解决方案。对于电池开关，表面贴装MOSFET AUIRF1324S-7P的最高导通电阻Rds(on)(最大值)低至1mΩ，而输出电流则高达240A。对于引脚封装，IR提供了采用传统TO-262封装的AUIRF1324L，其最高Rds(on)为1.65mΩ，并且可以利用采用新型WideLead TO-262封装的产品AUIRF1324WL将最高Rds(on)值降低20%左右。引线越宽意味着在MOSFET源极处安装内部接线的空间越多，从而降低了Rds(on)，改善了封装内的线焊，进而将最大额定漏电流提高了30%左右。24V 1324系列的所有MOSFET均适于电池开关应用。IR还拥有Rds(on)低至1.25mΩ的40V汽车级MOSFET，适于DC/DC转换器应用。

IR汽车级高端MOSFET驱动器AUIR3240S专门为驱动起止应用的电池电源开关而设计，如图4所示。AUIR3240S是一款起止系统专用高集成度升压转换器，该系统在堵车时帮助汽车暂停引擎运行。该系统需要一个“板网稳定器”，通过电源开关在引擎启动时将辅助电力系统与起动器和主电池断开。AUIR3240S可以并行驱动几个MOSFET，能够实现极低的导通电阻(Rds(on))和低于50?A的电流消耗。新器件可以提供15V输出电压，而且输入电压范围很宽(4~36V)。AUIR3240S 还可以诊断输出电流，并具备适于稳定设计的热传感器接口。


图4：采用AUIR3240S和AUIRF1324S-7P的双电池系统解决方案。

微混合动力起止系统的光明前途取决于很多因素——如何降低启动电压降、如何将更多的电子器件整合到起动器中、新电池技术的发展方向如何……考虑到微混合动力系统的巨大潜力，电力电子供应商和汽车制造商一定会找到合适的解决办法。