定义、设计和提供启停系统优势

作者：Frank Dehmelt 和 Mahmoud Harmouch，德州仪器

本文将介绍什么是启停系统以及汽车启停系统的先决条件，包括它的实施与优势。

燃油节省与CO2减排范围在5%至10%之间。随着燃油价格的攀升，高二氧化碳排放税的提高，再加上政府对减少汽车排放量的要求，我们需要采用各种措施来提高效率，降低排放。

高效节能、环保和低税率是汽车吸引客户的属性特征。有大量选项可使这类汽车变得更经济。混合动力或电动汽车就是其中的两种选项，但成本依然相当高。纯电动汽车需要快速充电和密集的充电站网络，而混合动力汽车则存在两个引擎的负担。

通过为汽油及柴油汽车实施启停技术，可以使能效显著提升5%至10%。

启停是指可在汽车怠速时停止发动机运行的系统，例如在等交通信号灯时可减少排放量，提高燃油效率。只需踩手动档汽车的离合器或者自动挡汽车的加速器就能使发动机再次启动。在需要动力的情况下，如果汽车开始移动，可能需要制动压力。或者，如果AC 单元耗电过多，发动机会自动重新启动。

启停实施需要一些先决条件。由于起动器使用更加频繁，因此在大多数情况下需要使用容量更大的电池。此外，经常使用发电机与起动器组合或者集成型起动器发电机(ISG)替代传统方案。这样可实现制动能量重复使用。因此，发电机需要支持明显高于普通发电机的电流。起动器已适合该需求，因此需要添加支持充电的电子器件，这一工作比较简单。

制动能量的重复使用有助于提高整体能效，因为在正常驾驶过程中需要较小的充电。不过，这还需要不同的电池特性来实现快速充电。此外，还需要传感发动机温度和外部温度等环境数据，其可能会在特定条件下阻止启停。例如，如果发动机较冷，燃油效率就会比较低，而且启动所需功率也会比较高。

此外，启停还需要电池监控，因为较弱的电池无法实现重启。在这种情况下，启停功能会被禁用。如果发动机停止工作，那么由发动机皮带带动的水泵和空调等功能也会停止。要在启停过程中支持这些功能的运行，需要使用电机代替皮带来驱动这些负载。（图1）


图1：汽车系统中电气负载及其电源的方框图

通过DC/DC降压转换器将电池电压降压为仪表板及信息娱乐系统的电源。

低电池电压会影响降压转换器的输出以及这些电路板的电源。为维持恒定稳压的电源，必须使用前置升压级。前置升压级的配置取决于所需的电源。

在启动过程中，起动器的高负载会导致电池电压大幅降低。对于冷启动而言，在打开点火开关时，汽车的系统未加电，只有在发动机和发电机工作时才通电。

相反，在启停过程中，系统已经加电运行，不会因电源不足而复位。现在，信息娱乐系统或高级驾驶员辅助系统(ADAS)具有启动支持，可避免电源出现压降。

一般曲线通常依照ISO7637-4脉冲形式，但电压和持续时间会有变化（图2）。


图2：启动脉冲电压波形实例

根据ISO7637-2脉冲4，电池在5ms内降低至5V至6V的最低电压（针对额定12V系统），并维持该值达40ms。然后，电压升至6V至9.5V并维持20秒，随后恢复到正常电压值。

大部分原始设备制造商(OEM)的汽车启动配置都使用ISO脉冲的变形。通常初始压降更加重要。

今天，不仅可以找到低至3.6V的电压，而且电压进一步降低的趋势也很明显。压摆率和持续时间等定时参数也可能会有所不同。有些不仅可在平坦区添加振荡或延长初始脉冲，同时还可消除第二平坦区，例如在支持大众冷启动测试脉冲(VW80000)和戴姆勒克莱斯勒发动机启动测试脉冲(DC-10615) 的情况下。

在任何情况下都要考虑从电池中汲取的电流。电源需求在30W范围内的信息娱乐系统一般可从电池中汲取2.5A至3A的电流。如果电池电压降至2V，那该系统会汲取超过15A的电流。因此，即便是在启动脉冲过程中，电子器件也需要保持稳定，以便实现持续工作。可用的不同解决方案有前置升压或升降压。

前置升压不仅可为整个系统提供电源，而且还位于电池与为处理器和音频提供电源的降压转换器之间。它只在启动时工作，在电池电压降低时需要自行激活。它允许极低的电池电压。但由于子系统需要升压的总电源原故，电流要求会非常高。因此，升压产品及其组件需要适应这样的电流额定值。

使用分立式前置升压产品或TPS43330-Q1或TPS43350-Q1产品系列，可实现模块化解决方案。加入升压电路组件后可实现启动支持。如果不需要启动支持，可移除升压电路组件，无需对其余电源链进行任何改变。图3是一般架构，图4则是使用TPS43330-Q1的简化实施方法。


图3：采用前置升压进行启动补偿


图4：使用TPS43330-Q1实现一组前置升压及两组降压的简化实施方案

前置升压电路中最重要的设计是实现较高的带宽。需要足够的带宽，才能对电池电平的突然变化作出及时响应。这可在不连续电流模式下轻松实现。在不连续模式下，电感器峰值电流非常高，输入电容RMS电流也是如此。这需要极大的输入电容器，会对电路板空间产生不利影响。要避免这个问题，升压电路应该为连续电流模式，但这会在环路中创建右半平面零点(RHPZ)。RHPZ会对电路带宽产生不利影响。需要在高峰值电流与RHPZ之间进行权衡。

升降压解决方案可将上述两个电路级整合在一个稳压器中（图5）。


图5：使用升降压产品实现启动补偿

在降压模式下，晶体管Q1的占空比可设定电压VOUT。晶体管Q1的占空比可在10%至99%之间变化，主要取决于输入电压。如果峰值电感器电流超过了设定的阀值，Q2就会在这个周期内开启（同步整流器）。否则，该电流会再次流经作为续流二极管的 Q2（异步整流器）。

同步或异步模式的检查需要按每个周期逐步完成。要避免在Q1与Q2之间出现交叉传导电流，在关闭Q1和打开Q2（或相反）时应引入固有延迟。在降压模式下，晶体管Q3不需要，可关闭。可打开晶体管Q4，以降低功耗。

这种配置可实现最佳性能，而且在任何模式下，VOUT都可在3%的容差内稳压（图6）。


图6：使用TPIC74100-Q1 实现升降压的简化实施方案

第三种方法是使用降压转换器为整个系统实现低电压，例如3.3V（图7）。此外，它还可为一个小型升压转换器供电，从而可为几个仍然需要较高电压的功能提供电源。


图7：使用一个降压及一个升压电路的启动补偿

在大多数情况下，大部分系统都需要3.3V或更低的电源电压。处理器通常支持 1V 电源，存储器支持 1.35V、1.5V或1.8V，IO电压大多为3.3V或1.8V。在绝大多数应用中，只有少数几种情况需要更高电压，通常是CAN接口和一些传感器。只要最小启动电压支持足够裕量，能让降压电路提供3.3V（在某些系统中甚至更低）电压，这就是一种简洁的方法，因为只有少量需要电压高于降压输出的组件需要进行升压。现在，相关组件可以更小、更便宜。该限制显然是最小启动电压。

图8是使用TPS65310A-Q1的简化实施电路，其允许低至 4V 的输入电压提供3.8V的临时电压。例如，CAN收发器的5V电压由升压器提供。


图8：使用 TPS65310A-Q1 的简化实施方案：降压电路后接升压电路

表1：三种系统的优缺点：


结论

总之，启停是一项优异的节油特性，比混合动力或纯电动汽车简单易行。因此，启停技术的使用越来越广泛。事实上下一步发展已经明确：带巡航模式的启停系统，即当汽车静止不动以及制动和油门踏板都未踩下时将发动机关闭。例如，在下缓坡行驶时，启停系统预计将会再节省10%的燃油，减少相应等级的排放。