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(多图) 电力电子技术在汽车42V直流总线下的应用

EDN China?? 2005年02月16日 ?? 收藏0

??????? 当今汽车技术发展的一个主要趋势就是从14V系统到42V系统的转换。由于汽车内电器的不断增加,在未来几年内,其总功率将达到并超过3KW水平。如果仍沿用传统的14V蓄电池来传输,直流电流将达到200A~300A。这将会使所需电机及功率驱动电路的成本大幅度升高。从而成为限制汽车发展的瓶颈。所以,对于已有的14V系统,唯一的解决方案是关掉某些正在使用的电器,以便将峰值电流控制在允许范围内。这当然会降低汽车的舒适及可靠性。
??????? 考虑到安全及经济性,42V系统成为一个理想的选择。之所以选择42V,是因为人体所能接触的安全电压的上限是直流60V。在考虑到电压波动的裕量后,42V成为一个很优化的选择。采用这一电压,首先可以免去额外的绝缘设计,从而降低成本。其次,传输同样的直流功率,电流只有14V系统的三分之一,从而减低了电机及电力元件的电流负荷,也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的近九分之一,从而可以减小导线截面积以降低重量。从另一

个角度说,在保持同样电流负荷的情◆下,传输功率会提高到原来的三倍。
??????? 42V系统的应用将影响整个汽车电器系统的结构及特性。其中几个主要的变化将是一体化起动/发电机,直流/直流转换器和电助力方向盘控制。
??????? 一体化起动/发电机系统 (ISA:Integrated Starter/Alternator)
??????? 一体化起动/发电机系统是42V系统中的一个热点。之所以整合汽车的起动电机和发电机成为一个一体的双用途电机,是因为汽车内电器的功率要求。一般家用汽车的起动电机功率在3KW左右,而发电机功率在1KW。但随嗬汽车内电器的日益增多,发电机功率将在不久的将来达到3KW的水平。因此使一体化成为可能。另外,由于起动与发电是两个相互独立的过程,因而如将这两种电机一体化,材料利用率将提高,前机盖下的可利用空间也将可提高。不仅如此,传统发电机的效率很低,大约为50%到60%。而一体化电机在发电机状态,其效率可达80%。
??????? 另外,这一技术可以实现发动机的起停控制,提高燃油效率。就是说,当汽车在交通灯前停止时,关闭发动机。在起动时,先由起动机带动发动机达到一定转速,再给发动机点火。由于发动机在从零转速达到额定的加速过程中是燃油效率最低,燃烧最不充分的,因而,采取这一措施会提高燃油效率并降低污染。
??????? 一体化起动/发电机的另一个特点是可再生制动。即在制动过程中,将机械能转化为电能给蓄电池充电,从而提高发动机效率。



???????这一新型电机与发动机的机械耦合
图1显示了这一新型电机与发动机的机械耦合(同轴耦合)。



??????? 这一设计的主要挑战来自两个方面。一方面是电机设计,一方面是功率驱动及控制。


??????? 1. 电机设计
??????? 在电机设计上,首先的问题是选用何种电机。众所周知,电机的设计要么基于电动机运行,要么基于电机运行。要折衷设计出一个电机来完成电动与发电功能,优化设计是关键。
??????? 当前主要有四种电机可作为候选。
??????? 第一种是永磁无刷直流机。它单位体积输出功率高、体积小、起动转矩大。问题一是转矩脉动,二是需要较贵的位置传感器,三是永磁材料成本高,且在短路或重载运行时会去磁。
??????? 第二种电机是异步机。它的优点是结构简单,维护简便, 控制技术成熟。缺点是体积大,?f功率调速范围窄,而且起动电流大,因而对逆变器功率元件要求较高。
??????? 第三种电机是永磁同步电机。它的特点是控制灵活、调速范围宽、力


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电力电子? 汽车? 总线?

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