轻度混合动力汽车系统半导体方案
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随着对环境和空气质量状况越来越多的关注，需要解决减少车辆二氧化碳气体排放的问题。解决此问题最好的办法是降低车辆的平均油耗。使用混合动力汽车，而不是纯内燃机(ICE)动力汽车，是减少油耗的一种新方法。 在所有道路车辆中，牵引动力系统必须能够在非常宽广的功率和速度(通常被称为转矩-速度范围)条件下运行，混合动力系统的使用支持系统设计人员在不同的转矩-速度范围点上自由地优化两个电源。此电源能够提供有益于加速的非常大的扭矩，但它只能在有限的时间内使用。具体时间取决于电池的大小和电机的输出转矩。有了高扭矩产生电源，可大大缩小内燃机尺寸，从而提高燃油能效。然而，增加这种混合动力源当然不是微不足道的工程问题，需要一种方法，包括影响许多车辆系统的设计考虑因素。 功能电子化一般是通过增加高压(约350 V)电池和高性能电机直接耦合到I 近年来，48V汽车系统架构受到了广泛的关注。这些系统可被认为是向全混合动力汽车迈出的一步。它们通常被称为 “轻度”混合动力汽车(MHEV)。它们由一个相对紧凑的48V电池、一台高性能电机和多个48V电气化子系统构成。48V系统的较低成本更增加了它们对汽车整车厂商(OEM)的吸引力，将很快成为大多数汽车制造商产品组合的一部分。 轻度混合动力汽车双电压架构 目前，现有的48V架构有很多种，变体也在增加。大多数系统包括一个电池、一个起动机发电机、一个电压转换器，通常至少有一个48V负载。由于48V汽车仍然保留12V电池和多个12V负载，因此在可预见的未来，这些系统很可能会以双电压架构存在。请参见图1。 图1.典型的48 V轻度混合动力系统电气拓扑 使用48 V双电压结构，许多新的汽车电气配置是可能的。因为48 V系统从根本上来说能够提供更高的功率水平，所以使用新的、更高功率的子系统是可能的。随着48 V系统的出现，在12 V拓扑中集成48 V电动压缩机和48 V电动稳定系统成为可能。此外，更高功率的实现将通过利用提高的能效促成更高动力的12 V负载迁移到48 V总线。 最初，双电压系统的12 V将保持原样，没有12 V交流发电机。由于唯一的电源是48 V发电机，该系统将需要一个转换器，将48 V产生的功率转移到12 V电池。这种转换器需要紧凑、轻量级和高能效。它的设计是双向的，这使得在高电流需求时期能结合使用两种电池，需要在冷车启动等情况下使用。该双向转换器能够转换来自任何一个电池的电源，并在它们之间传输能量。 48 V的起动发电机是主要部件。它负责产生汽车的所有电力并启动汽车。此外，起动机发电机在汽车制动过程中进行再生能量回收。在这种模式下，机器充当发电机，向动力总成提供负扭矩，使汽车减速，并回收电池的电荷。起动发电机有许多配置和功率水平，每一个都有非常具体的汽车实施目标。 48 V轻度混合动力汽车DC-DC转换器 双向电源转换器需要在两个电池系统之间共享电荷，并且功率范围通常在1kW到3kW范围。在这种大功率范围内维持高能效的最流行的拓扑结构是多级降压升压转换器。降压拓扑支持功率从较高的电压侧向下流向较低的电压侧。升压拓扑支持功率流向相反的方向。多级设计支持将多个独立的转换器子电路组合成单个高功率转换器。这种多级设计支持在轻载条件下去掉(shedding)某些段。多级shedding功能通过使用一个可导通或关断的输出MOSFET以使能每一特定段实现。典型的转换器设计如图2所示。突出显示的方框表示安森美半导体提供大量产品的领域。 Interleaved Buck-Boost 48V-12V Bidirectional Converter：交错式降压-升压48 V-12 V双向转换器 48 V Positive Rail：48 V正向轨 48 V Negative Rail：48 V负向轨 Alternate Half Bridge Power Module：备用半桥电源模块 Gate Driver：门极驱动器 Half-bridge Gate Driver：半桥门极驱动器 One of N Multiple Interleaved Stages：多个交错式段之一 Current Sense Amplifier：电流检测放大器 12 V Positive Rail：12 V正向轨 12 V Negative Rail：12 V负向轨 图2. 多级DC-DC转换器的单级拓扑 轻度混合动力汽车子系统 MHEV有各种各样可能的48 V子系统，比仅使用12 V的系统实现更多可能性。MHEV上的最高功率负载是电控增压器，称为电动压缩机(E-Compressor)。由于增压器需要在几分之一秒加速到极高的速度，它需要大量的瞬态功率。典型的增压器驱动含由三相逆变器驱动的低惯量三相电机。峰值功率水平可达8 kW以上，尽管它的平均功率相对较低。这些宽范围功率配置完美匹配48V系统，在相对较短的时间产生大量的功率。 |
