對汽車電子系統(tǒng)低油耗設(shè)計的討論

前言

我們?nèi)绾尾拍苁蛊囻{駛室具備更多的功能，使發(fā)動機(jī)具有更大的功率，同時還能夠符合各國政府對每加侖行駛距離的要求?只有采用新一代的低導(dǎo)通電阻功率MOSFET將汽車中傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)改為電子系統(tǒng)，這些MOSFET不但可以提高汽車的舒適性和安全性，還能夠提高燃油的行駛距離。

發(fā)動機(jī)不僅僅要讓汽車在路上行駛，還要為整個汽車系統(tǒng)提供動力?，F(xiàn)在人們對汽車的娛樂性、舒適性及安全性的要求越來越高。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，對于一輛普通的 汽車，每加侖的汽油所產(chǎn)生的能量最終用在車輪行駛上的不到15%，而大部分的能量都變成熱量浪費(fèi)掉。

美國的法律規(guī)定，客車每加侖必須平均行駛27.5英 里，而對于占新車銷售量一半以上的汽車，如SUV、小型客車和輕型卡車等，要求在2007年達(dá)到每加侖平均行駛22.2英里的新標(biāo)準(zhǔn)。

人們要求汽車制造商提供一種效率更高、功能更多的汽車，而它的成本又要在大眾可以接受的范圍之內(nèi)。為了做到這一點，許多系統(tǒng)都在進(jìn)行很大的改進(jìn)，例如，為提 高發(fā)動機(jī)的燃料燃燒效率，將液壓系統(tǒng)改成電子系統(tǒng)(這樣可以在許多方面減少發(fā)動機(jī)的能源消耗)。在減少能源浪費(fèi)方面，幾乎每一個系統(tǒng)都受到關(guān)注。

電源系統(tǒng)與冷卻風(fēng)扇

在發(fā)電方面，在 汽車中產(chǎn)生直流電源的傳統(tǒng)方法是使用交流發(fā)電機(jī)，并在發(fā)電機(jī)的軸上裝一個皮帶輪，該風(fēng)扇皮帶是曲軸帶動的。交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電通過二極管三相整流橋轉(zhuǎn) 換成直流電。在額定電流下，二極管上一般約有1V的電壓降。

如果汽車用了1kW(大約70A)的功率，那么二極管消耗的功率大約是140W，按效率80% 計算，需要發(fā)動機(jī)多提供175W的功率來抵消掉二極管整流橋的影響，這些功率轉(zhuǎn)變成熱量散失掉。用MOSFET代替二極管后，功率損耗就會降低到2W以 下，節(jié)省下來的能量可以用來提高1%～3%的單位燃油行駛距離，也可以用來驅(qū)動其他系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)的冷卻風(fēng)扇可以由傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)曲軸帶動改為電子風(fēng)扇，電子風(fēng)扇只在必要的時候才運(yùn)轉(zhuǎn)，而且僅用一只MOSFET來控制，可以節(jié)省至少100W功率。

啟動電機(jī)

試想，當(dāng)轉(zhuǎn)動鑰匙發(fā)動汽車時，啟動電機(jī)就會帶動發(fā)動機(jī)啟動汽車。然后交流發(fā)電機(jī)就會對電池進(jìn)行充電，為整個電氣系統(tǒng)供給電力。而在其他的時間里，啟動電機(jī)不起任何作用，反而是一個負(fù)擔(dān)。

發(fā)動機(jī)和電機(jī)的基本設(shè)計是一樣的，它們最主要的差別在于電能的流向不同。目前，啟動電機(jī)是用直流電機(jī)，可以很容易地利用一個功率MOSFET逆變橋電路將直 流電源(例如電池)變成交流電源，并用它驅(qū)動作為啟動電機(jī)的交流電機(jī)轉(zhuǎn)動。

一旦發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，還可以用功率MOSFET逆變橋電路的整流狀態(tài)將交流電轉(zhuǎn) 換為直流電，為電氣系統(tǒng)供電。所有的這些只要用一個交流發(fā)電機(jī)啟動器和一個功率MOSFET逆變橋電路就可以實現(xiàn)。在帶動一個3kW的負(fù)載時，這個功率 MOSFET逆變橋的損耗不到10W。

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是系統(tǒng)改 造的一個很好的思路。傳統(tǒng)的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用放大的方法來減少轉(zhuǎn)動方向盤所需要的力量，這種方法是利用液壓動力轉(zhuǎn)向泵來達(dá)到目的的。

采用具有固定放大倍率 的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在一個很大的缺點，如果把系統(tǒng)設(shè)計成減少汽車在靜止時轉(zhuǎn)動方向盤所需要的力量，那么在高速行駛時，方向盤就會顯得松一些。一個常規(guī)的系統(tǒng) 有一個液泵，它采用機(jī)械的方法連接到發(fā)動機(jī)上，在運(yùn)轉(zhuǎn)時，即使汽車走的是直線，它也要消耗能量。

應(yīng) 用完全的電子動力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)就可以去掉加在發(fā)動機(jī)上的固定負(fù)載。在電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電機(jī)直接裝在齒輪齒條轉(zhuǎn)向部件上，例如在小汽車中，直接裝在轉(zhuǎn)向柱上。這些電機(jī)由RDS(ON)很小的功率MOSFET進(jìn)行高效率的控制。

這些系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)吸收的功率比較小，但能提供更多的能量，燃料的效率也更高。 除了工作時的能耗更低外，這些系統(tǒng)比傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)價格更低。完全的EPS系統(tǒng)比傳統(tǒng)的系統(tǒng)質(zhì)量更輕一些，這也有利于提高燃料的效率。

傳動系統(tǒng)

在傳動過程中，使用扭矩變 換器的傳統(tǒng)自動變速箱與手工傳動相比，燃料消耗會增加5%～10%?，F(xiàn)在，改為使用由先進(jìn)的功率半導(dǎo)體技術(shù)來驅(qū)動電液系統(tǒng)，取消了扭矩變換器，也就減少了能量損耗。但是，這樣液泵和與液壓系統(tǒng)相關(guān)的所有重量也都還在。

在將離合器以及采用先進(jìn)的溝道式功率MOSFET來控制的變速器固定到手動變速箱中時，自 動化的手動變速箱就會提高燃料利用率。這項技術(shù)最初是針對一級方程式賽車而研制的，這種汽車開起來就像是傳統(tǒng)自動汽車，司機(jī)不需要換擋，使得燃料的消耗減 少了5%～10%。

制動系統(tǒng)

我們已經(jīng)討論過電液制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)采用由先進(jìn)的功率半導(dǎo)體(如槽柵MOSFET)控制的電動機(jī)來代替原有的輔助真空制動閘。

然而，在定鉗盤或剎車鼓上固定電氣制動器的地方是可以裝上電氣制動閘的。電氣制動器可以進(jìn)行穩(wěn)定的控制，對每個車輪進(jìn)行制動，糾正其任何旋轉(zhuǎn)的趨勢。我們現(xiàn)在已有的ABS系統(tǒng)使用的是功率 MOSFET，如果汽車上的計算機(jī)檢測到了汽車失控滑行，該系統(tǒng)就會發(fā)出一個脈沖觸發(fā)式制動閘動作。

結(jié)論

綜合考慮以上節(jié)能方案，汽車電子系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以明顯提高汽車發(fā)動機(jī)的效率、減少油耗，而且還可以提高汽車的性能，進(jìn)一步降低成本。