定義、設計和提供汽車啟停系統(tǒng)及其優(yōu)勢
本文將介紹什么是啟停系統(tǒng)以及汽車啟停系統(tǒng)的先決條件,包括它的實施與優(yōu)勢。
燃油節(jié)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(jié)能、環(huán)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(jīng)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(wǎng)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(fā)動機運行的系統(tǒng),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(fā)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?;蛘?,如果AC單元耗電過多,發(fā)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(shù)情況下需要使用容量更大的電池。此外,經(jīng)常使用發(fā)電機與起動器組合或者集成型起動器發(fā)電機(ISG)替代傳統(tǒng)方案。這樣可實現(xiàn)制動能量重復使用。因此,發(fā)電機需要支持明顯高于普通發(fā)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(xiàn)快速充電。此外,還需要傳感發(fā)動機溫度和外部溫度等環(huán)境數(shù)據(jù),其可能會在特定條件下阻止啟停。例如,如果發(fā)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(jiān)控,因為較弱的電池無法實現(xiàn)重啟。在這種情況下,啟停功能會被禁用。如果發(fā)動機停止工作,那么由發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(tǒng)未加電,只有在發(fā)動機和發(fā)電機工作時才通電。
相反,在啟停過程中,系統(tǒng)已經(jīng)加電運行,不會因電源不足而復位?,F(xiàn)在,信息娛樂系統(tǒng)或高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)具有啟動支持,可避免電源出現(xiàn)壓降。
一般曲線通常依照ISO7637-4脈沖形式,但電壓和持續(xù)時間會有變化(圖2)。
圖2:啟動脈沖電壓波形實例
根據(jù)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(tǒng)),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(xù)時間等定時參數(shù)也可能會有所不同。有些不僅可在平坦區(qū)添加振蕩或延長初始脈沖,同時還可消除第二平坦區(qū),例如在支持大眾冷啟動測試脈沖(VW80000)和戴姆勒克萊斯勒發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定,以便實現(xiàn)持續(xù)工作??捎玫牟煌鉀Q方案有前置升壓或升降壓。
前置升壓不僅可為整個系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)模塊化解決方案。加入升壓電路組件后可實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xù)電流模式下輕松實現(xiàn)。在不連續(xù)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(xù)電流模式,但這會在環(huán)路中創(chuàng)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(wěn)壓器中(圖5)。
圖5:使用升降壓產品實現(xiàn)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(jīng)作為續(xù)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(xiàn)交叉?zhèn)鲗щ娏?,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??纱蜷_晶體管Q4,以降低功耗。
這種配置可實現(xiàn)最佳性能,而且在任何模式下,VOUT都可在3%的容差內穩(wěn)壓(圖6)。
圖6:使用TPIC74100-Q1實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)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(shù)情況下,大部分系統(tǒng)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(shù)應用中,只有少數(shù)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(tǒng)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?,F(xiàn)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(fā)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(tǒng)的優(yōu)缺點
結論
總之,啟停是一項優(yōu)異的節(jié)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(fā)展已經(jīng)明確:帶巡航模式的啟停系統(tǒng),即當汽車靜止不動以及制動和油門踏板都未踩下時將發(fā)動機關閉。例如,在下緩坡行駛時,啟停系統(tǒng)預計將會再節(jié)省10%的燃油,減少相應等級的排放。
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