定義、設(shè)計(jì)和提供啟停系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

作者：Frank Dehmelt Mahmoud Harmouch

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(shí)施與優(yōu)勢(shì)。

燃油節(jié)省與 CO2 減排范圍在 5% 至 10% 之間。隨著燃油價(jià)格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對(duì)減少汽車排放量的要求，我們需要采用各種措施來(lái)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(xiàng)可使這類汽車變得更經(jīng)濟(jì)。混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車就是其中的兩種選項(xiàng)，但成本依然相當(dāng)高。純電動(dòng)汽車需要快速充電和密集的充電站網(wǎng)絡(luò)，而混合動(dòng)力汽車則存在兩個(gè)引擎的負(fù)擔(dān)。

通過(guò)為汽油及柴油汽車實(shí)施啟停技術(shù)，可以使能效顯著提升 5% 至 10%。

啟停是指可在汽車怠速時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)，例如在等交通信號(hào)燈時(shí)可減少排放量，提高燃油效率。只需踩手動(dòng)檔汽車的離合器或者自動(dòng)擋汽車的加速器就能使發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)。在需要?jiǎng)恿Φ那闆r下，如果汽車開(kāi)始移動(dòng)，可能需要制動(dòng)壓力。或者，如果 AC 單元耗電過(guò)多，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)重新啟動(dòng)。

啟停實(shí)施需要一些先決條件。由于起動(dòng)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(jī)與起動(dòng)器組合或者集成型起動(dòng)器發(fā)電機(jī) (ISG) 替代傳統(tǒng)方案。這樣可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量重復(fù)使用。因此，發(fā)電機(jī)需要支持明顯高于普通發(fā)電機(jī)的電流。起動(dòng)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(jiǎn)單。

制動(dòng)能量的重復(fù)使用有助于提高整體能效，因?yàn)樵谡ｑ{駛過(guò)程中需要較小的充電。不過(guò)，這還需要不同的電池特性來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電。此外，還需要傳感發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和外部溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)，其可能會(huì)在特定條件下阻止啟停。例如，如果發(fā)動(dòng)機(jī)較冷，燃油效率就會(huì)比較低，而且啟動(dòng)所需功率也會(huì)比較高。

此外，啟停還需要電池監(jiān)控，因?yàn)檩^弱的電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)重啟。在這種情況下，啟停功能會(huì)被禁用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，那么由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶帶動(dòng)的水泵和空調(diào)等功能也會(huì)停止。要在啟停過(guò)程中支持這些功能的運(yùn)行，需要使用電機(jī)代替皮帶來(lái)驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載。(圖 1)

圖 1：汽車系統(tǒng)中電氣負(fù)載及其電源的方框圖

通過(guò) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓降壓為儀表板及信息娛樂(lè)系統(tǒng)的電源。

低電池電壓會(huì)影響降壓轉(zhuǎn)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(jí)。前置升壓級(jí)的配置取決于所需的電源。

在啟動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)器的高負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電池電壓大幅降低。對(duì)于冷啟動(dòng)而言，在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)時(shí)，汽車的系統(tǒng)未加電，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作時(shí)才通電。

相反，在啟停過(guò)程中，系統(tǒng)已經(jīng)加電運(yùn)行，不會(huì)因電源不足而復(fù)位。現(xiàn)在，信息娛樂(lè)系統(tǒng)或高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 具有啟動(dòng)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(shí)間會(huì)有變化(圖 2)。

圖 2：?jiǎn)?dòng)脈沖電壓波形實(shí)例

根據(jù) ISO7637-2 脈沖 4，電池在 5ms 內(nèi)降低至 5V 至 6V 的最低電壓(針對(duì)額定 12V 系統(tǒng))，并維持該值達(dá) 40ms。然后，電壓升至 6V 至 9.5V 并維持 20 秒，隨后恢復(fù)到正常電壓值。

大部分原始設(shè)備制造商 (OEM) 的汽車啟動(dòng)配置都使用 ISO 脈沖的變形。通常初始?jí)航蹈又匾?/p>

今天，不僅可以找到低至 3.6V 的電壓，而且電壓進(jìn)一步降低的趨勢(shì)也很明顯。壓擺率和持續(xù)時(shí)間等定時(shí)參數(shù)也可能會(huì)有所不同。有些不僅可在平坦區(qū)添加振蕩或延長(zhǎng)初始脈沖，同時(shí)還可消除第二平坦區(qū)，例如在支持大眾冷啟動(dòng)測(cè)試脈沖 (VW80000) 和戴姆勒克萊斯勒發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)測(cè)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(nèi)的信息娛樂(lè)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(huì)汲取超過(guò) 15A 的電流。因此，即便是在啟動(dòng)脈沖過(guò)程中，電子器件也需要保持穩(wěn)定，以便實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作。可用的不同解決方案有前置升壓或升降壓。

前置升壓不僅可為整個(gè)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(zhuǎn)換器之間。它只在啟動(dòng)時(shí)工作，在電池電壓降低時(shí)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(huì)非常高。因此，升壓產(chǎn)品及其組件需要適應(yīng)這樣的電流額定值。

使用分立式前置升壓產(chǎn)品或 TPS43330-Q1 或 TPS43350-Q1 產(chǎn)品系列，可實(shí)現(xiàn)模塊化解決方案。加入升壓電路組件后可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)支持。如果不需要啟動(dòng)支持，可移除升壓電路組件，無(wú)需對(duì)其余電源鏈進(jìn)行任何改變。圖 3 是一般架構(gòu)，圖 4 則是使用 TPS43330-Q1 的簡(jiǎn)化實(shí)施方法。

圖 3：采用前置升壓進(jìn)行啟動(dòng)補(bǔ)償

圖 4：使用 TPS43330-Q1 實(shí)現(xiàn)一組前置升壓及兩組降壓的簡(jiǎn)化實(shí)施方案

前置升壓電路中最重要的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)較高的帶寬。需要足夠的帶寬，才能對(duì)電池電平的突然變化作出及時(shí)響應(yīng)。這可在不連續(xù)電流模式下輕松實(shí)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(huì)對(duì)電路板空間產(chǎn)生不利影響。要避免這個(gè)問(wèn)題，升壓電路應(yīng)該為連續(xù)電流模式，但這會(huì)在環(huán)路中創(chuàng)建右半平面零點(diǎn) (RHPZ)。RHPZ 會(huì)對(duì)電路帶寬產(chǎn)生不利影響。需要在高峰值電流與 RHPZ 之間進(jìn)行權(quán)衡。

升降壓解決方案可將上述兩個(gè)電路級(jí)整合在一個(gè)穩(wěn)壓器中(圖 5)。

圖 5：使用升降壓產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)補(bǔ)償

在降壓模式下，晶體管 Q1 的占空比可設(shè)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(guò)了設(shè)定的閥值，Q2 就會(huì)在這個(gè)周期內(nèi)開(kāi)啟(同步整流器)。否則，該電流會(huì)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(gè)周期逐步完成。要避免在 Q1 與 Q2 之間出現(xiàn)交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流，在關(guān)閉 Q1 和打開(kāi) Q2(或相反)時(shí)應(yīng)引入固有延遲。在降壓模式下，晶體管 Q3 不需要，可關(guān)閉?？纱蜷_(kāi)晶體管 Q4，以降低功耗。

這種配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能，而且在任何模式下，VOUT 都可在 3% 的容差內(nèi)穩(wěn)壓(圖 6)。

圖 6：使用 TPIC74100-Q1 實(shí)現(xiàn)升降壓的簡(jiǎn)化實(shí)施方案

第三種方法是使用降壓轉(zhuǎn)換器為整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓，例如 3.3V(圖 7)。此外，它還可為一個(gè)小型升壓轉(zhuǎn)換器供電，從而可為幾個(gè)仍然需要較高電壓的功能提供電源。

圖 7：使用一個(gè)降壓及一個(gè)升壓電路的啟動(dòng)補(bǔ)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(chǔ)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(yīng)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(dòng)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(jiǎn)潔的方法，因?yàn)橹挥猩倭啃枰妷焊哂诮祲狠敵龅慕M件需要進(jìn)行升壓?，F(xiàn)在，相關(guān)組件可以更小、更便宜。該限制顯然是最小啟動(dòng)電壓。

圖 8 是使用 TPS65310A-Q1 的簡(jiǎn)化實(shí)施電路，其允許低至 4V 的輸入電壓提供 3.8V 的臨時(shí)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(jiǎn)化實(shí)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(diǎn)：

結(jié)論

總之，啟停是一項(xiàng)優(yōu)異的節(jié)油特性，比混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車簡(jiǎn)單易行。因此，啟停技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛。事實(shí)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(dāng)汽車靜止不動(dòng)以及制動(dòng)和油門(mén)踏板都未踩下時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。例如，在下緩坡行駛時(shí)，啟停系統(tǒng)預(yù)計(jì)將會(huì)再節(jié)省 10% 的燃油，減少相應(yīng)等級(jí)的排放。