电力电子技术在汽车42V直流总线下的应用

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。




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，?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
矩波动小。缺点一是永磁材料会在重载下去磁， 二是驱动控制系统成本高。
最后一种电机是开关磁阻电机。优点是高速性能优越，结构简单，相间耦合小，可以缺相运行。缺点是噪音高，驱动电路特殊，成本高。
从当前的应用现状看，日本汽车厂家多采用永磁无刷直流机；大部份美国厂家选用异步机；而在欧洲，两种电机都有应用。当然，另外两种电机也处于很活跃的试验研究阶段。最终的电机选择将依赖于功率等级、电机及驱动电路的成本，电机与发动机的耦合方式，以及系统性能的全面考虑。

经典，原来不知道

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