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作者：Frank Dehmelt 和 Mahmoud Harmouch，德州儀器 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，包括它的實施與優(yōu)勢。 燃油節(jié)省與CO2減排范圍在5%至10%之間。隨著燃油價格的攀升，高二氧化碳排放稅的提高，再加上政府對減少汽車排放量的要求，我們需要采用各種措施來提高效率，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。有大量選項可使這類汽車變得更經(jīng)濟。混合動力或電動汽車就是其中的兩種選項，但成本依然相當高。純電動汽車需要快速充電和密集的充電站網(wǎng)絡(luò)，而混合動力汽車則存在兩個引擎的負擔。 通過為汽油及柴油汽車實施啟停技術(shù)，可以使能效顯著提升5%至10%。 啟停是指可在汽車怠速時停止發(fā)動機運行的系統(tǒng)，例如在等交通信號燈時可減少排放量，提高燃油效率。只需踩手動檔汽車的離合器或者自動擋汽車的加速器就能使發(fā)動機再次啟動。在需要動力的情況下，如果汽車開始移動，可能需要制動壓力。或者，如果AC 單元耗電過多，發(fā)動機會自動重新啟動。 啟停實施需要一些先決條件。由于起動器使用更加頻繁，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)電機與起動器組合或者集成型起動器發(fā)電機(ISG)替代傳統(tǒng)方案。這樣可實現(xiàn)制動能量重復(fù)使用。因此，發(fā)電機需要支持明顯高于普通發(fā)電機的電流。起動器已適合該需求，因此需要添加支持充電的電子器件，這一工作比較簡單。 制動能量的重復(fù)使用有助于提高整體能效，因為在正常駕駛過程中需要較小的充電。不過，這還需要不同的電池特性來實現(xiàn)快速充電。此外，還需要傳感發(fā)動機溫度和外部溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)，其可能會在特定條件下阻止啟停。例如，如果發(fā)動機較冷，燃油效率就會比較低，而且啟動所需功率也會比較高。 此外，啟停還需要電池監(jiān)控，因為較弱的電池無法實現(xiàn)重啟。在這種情況下，啟停功能會被禁用。如果發(fā)動機停止工作，那么由發(fā)動機皮帶帶動的水泵和空調(diào)等功能也會停止。要在啟停過程中支持這些功能的運行，需要使用電機代替皮帶來驅(qū)動這些負載。（圖1） 
圖1：汽車系統(tǒng)中電氣負載及其電源的方框圖 通過DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓降壓為儀表板及信息娛樂系統(tǒng)的電源。 低電池電壓會影響降壓轉(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。前置升壓級的配置取決于所需的電源。 在啟動過程中，起動器的高負載會導(dǎo)致電池電壓大幅降低。對于冷啟動而言，在打開點火開關(guān)時，汽車的系統(tǒng)未加電，只有在發(fā)動機和發(fā)電機工作時才通電。 相反，在啟停過程中，系統(tǒng)已經(jīng)加電運行，不會因電源不足而復(fù)位。現(xiàn)在，信息娛樂系統(tǒng)或高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)具有啟動支持，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)時間會有變化（圖2）。
圖2：啟動脈沖電壓波形實例 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（針對額定12V系統(tǒng)），并維持該值達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)的汽車啟動配置都使用ISO脈沖的變形。通常初始壓降更加重要。 今天，不僅可以找到低至3.6V的電壓，而且電壓進一步降低的趨勢也很明顯。壓擺率和持續(xù)時間等定時參數(shù)也可能會有所不同。有些不僅可在平坦區(qū)添加振蕩或延長初始脈沖，同時還可消除第二平坦區(qū)，例如在支持大眾冷啟動測試脈沖(VW80000)和戴姆勒克萊斯勒發(fā)動機啟動測試脈沖(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)會汲取超過15A的電流。因此，即便是在啟動脈沖過程中，電子器件也需要保持穩(wěn)定，以便實現(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。它只在啟動時工作，在電池電壓降低時需要自行激活。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，可實現(xiàn)模塊化解決方案。加入升壓電路組件后可實現(xiàn)啟動支持。如果不需要啟動支持，可移除升壓電路組件，無需對其余電源鏈進行任何改變。圖3是一般架構(gòu)，圖4則是使用TPS43330-Q1的簡化實施方法。
圖3：采用前置升壓進行啟動補償
圖4：使用TPS43330-Q1實現(xiàn)一組前置升壓及兩組降壓的簡化實施方案 前置升壓電路中最重要的設(shè)計是實現(xiàn)較高的帶寬。需要足夠的帶寬，才能對電池電平的突然變化作出及時響應(yīng)。這可在不連續(xù)電流模式下輕松實現(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，會對電路板空間產(chǎn)生不利影響。要避免這個問題，升壓電路應(yīng)該為連續(xù)電流模式，但這會在環(huán)路中創(chuàng)建右半平面零點(RHPZ)。RHPZ會對電路帶寬產(chǎn)生不利影響。需要在高峰值電流與RHPZ之間進行權(quán)衡。 升降壓解決方案可將上述兩個電路級整合在一個穩(wěn)壓器中（圖5）。
圖5：使用升降壓產(chǎn)品實現(xiàn)啟動補償 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了設(shè)定的閥值，Q2就會在這個周期內(nèi)開啟（同步整流器）。否則，該電流會再次流經(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Q2（或相反）時應(yīng)引入固有延遲。在降壓模式下，晶體管Q3不需要，可關(guān)閉。可打開晶體管Q4，以降低功耗。 這種配置可實現(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 實現(xiàn)升降壓的簡化實施方案 第三種方法是使用降壓轉(zhuǎn)換器為整個系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓，例如3.3V（圖7）。此外，它還可為一個小型升壓轉(zhuǎn)換器供電，從而可為幾個仍然需要較高電壓的功能提供電源。
圖7：使用一個降壓及一個升壓電路的啟動補償 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，這就是一種簡潔的方法，因為只有少量需要電壓高于降壓輸出的組件需要進行升壓。現(xiàn)在，相關(guān)組件可以更小、更便宜。該限制顯然是最小啟動電壓。 圖8是使用TPS65310A-Q1的簡化實施電路，其允許低至 4V 的輸入電壓提供3.8V的臨時電壓。例如，CAN收發(fā)器的5V電壓由升壓器提供。
圖8：使用 TPS65310A-Q1 的簡化實施方案：降壓電路后接升壓電路 表1：三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點：
結(jié)論 總之，啟停是一項優(yōu)異的節(jié)油特性，比混合動力或純電動汽車簡單易行。因此，啟停技術(shù)的使用越來越廣泛。事實上下一步發(fā)展已經(jīng)明確：帶巡航模式的啟停系統(tǒng)，即當汽車靜止不動以及制動和油門踏板都未踩下時將發(fā)動機關(guān)閉。例如，在下緩坡行駛時，啟停系統(tǒng)預(yù)計將會再節(jié)省10%的燃油，減少相應(yīng)等級的排放。 |
