電力電子技術在汽車42V直流總線下的應用

當今汽車技術發(fā)展的一個主要趨勢就是從14V系統(tǒng)到42V系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。由于汽車內(nèi)電器的不斷增加，在未來幾年內(nèi)，其總功率將達到并超過3KW水平。如果仍沿用傳統(tǒng)的14V蓄電池來傳輸，直流電流將達到200A～300A。這將會使所需電機及功率驅(qū)動電路的成本大幅度升高。從而成為限制汽車發(fā)展的瓶頸。所以，對于已有的14V系統(tǒng)，唯一的解決方案是關掉某些正在使用的電器，以便將峰值電流控制在允許范圍內(nèi)。這當然會降低汽車的舒適及可靠性。

考慮到安全及經(jīng)濟性，42V系統(tǒng)成為一個理想的選擇。之所以選擇42V，是因為人體所能接觸的安全電壓的上限是直流60V。在考慮到電壓波動的裕量后，42V成為一個很優(yōu)化的選擇。采用這一電壓，首先可以免去額外的絕緣設計，從而降低成本。其次，傳輸同樣的直流功率，電流只有14V系統(tǒng)的三分之一，從而減低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的近九分之一，從而可以減小導線截面積以降低重量。從另一 個角度說，在保持同樣電流負荷的情◆下，傳輸功率會提高到原來的三倍。

42V系統(tǒng)的應用將影響整個汽車電器系統(tǒng)的結構及特性。其中幾個主要的變化將是一體化起動/發(fā)電機，直流/直流轉(zhuǎn)換器和電助力方向盤控制。

一體化起動/發(fā)電機系統(tǒng) (ISA：Integrated Starter/Alternator)

一體化起動/發(fā)電機系統(tǒng)是42V系統(tǒng)中的一個熱點。之所以整合汽車的起動電機和發(fā)電機成為一個一體的雙用途電機，是因為汽車內(nèi)電器的功率要求。一般家用汽車的起動電機功率在3KW左右，而發(fā)電機功率在1KW。但隨嗬汽車內(nèi)電器的日益增多，發(fā)電機功率將在不久的將來達到3KW的水平。因此使一體化成為可能。另外，由于起動與發(fā)電是兩個相互獨立的過程，因而如將這兩種電機一體化，材料利用率將提高，前機蓋下的可利用空間也將可提高。不僅如此，傳統(tǒng)發(fā)電機的效率很低，大約為50%到60%。而一體化電機在發(fā)電機狀態(tài)，其效率可達80%。

另外，這一技術可以實現(xiàn)發(fā)動機的起?？刂疲岣呷加托?。就是說，當汽車在交通燈前停止時，關閉發(fā)動機。在起動時，先由起動機帶動發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速，再給發(fā)動機點火。由于發(fā)動機在從零轉(zhuǎn)速達到額定的加速過程中是燃油效率最低，燃燒最不充分的，因而，采取這一措施會提高燃油效率并降低污染。

一體化起動/發(fā)電機的另一個特點是可再生制動。即在制動過程中，將機械能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電，從而提高發(fā)動機效率。

這一設計的主要挑戰(zhàn)來自兩個方面。一方面是電機設計，一方面是功率驅(qū)動及控制。

1. 電機設計
在電機設計上，首先的問題是選用何種電機。眾所周知，電機的設計要么基于電動機運行，要么基于電機運行。要折衷設計出一個電機來完成電動與發(fā)電功能，優(yōu)化設計是關鍵。

當前主要有四種電機可作為候選。

第一種是永磁無刷直流機。它單位體積輸出功率高、體積小、起動轉(zhuǎn)矩大。問題一是轉(zhuǎn)矩脈動，二是需要較貴的位置傳感器，三是永磁材料成本高，且在短路或重載運行時會去磁。

第二種電機是異步機。它的優(yōu)點是結構簡單，維護簡便， 控制技術成熟。缺點是體積大，?功率調(diào)速范圍窄，而且起動電流大，因而對逆變器功率元件要求較高。

第三種電機是永磁同步電機。它的特點是控制靈活、調(diào)速范圍寬、力矩波動小。缺點一是永磁材料會在重載下去磁， 二是驅(qū)動控制系統(tǒng)成本高。

最后一種電機是開關磁阻電機。優(yōu)點是高速性能優(yōu)越，結構簡單，相間耦合小，可以缺相運行。缺點是噪音高，驅(qū)動電路特殊，成本高。