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先进的传感器技术加速推动HEV/EV普及

出处:捷配电子市场网 发布于:2018-03-08 16:08:50 | 300 次阅读

  目前欧盟(EU)已建立严格的立法政策控制有害气体排放,从而改善空气质量,避免对环境造成不可逆伤害,为人类后代营造更加清洁的生存环境。随着全球石油储备不断减少,欧盟还将努力改善能源结构,减少对石油的依赖。

  汽车行业为适应上述发展趋势,也将逐渐改变单一的产品模式 – 从内燃机汽车逐渐向混合动力汽车和电动汽车(HEV/EV)过渡。目前推动HEV全面普及仍面临着许多障碍。本文将介绍如何克服这些障碍。

  关于有效降低碳排放量的问题已然解决,即改进空气管理系统和热管理系统。欧盟预计在2015年实现的车辆平均排放量目标也因此能够于2013年提前实现。某种程度上发动机尺寸能够有所降低也得益于此。下一个重要发展方向是通过推进电气化和混合动力化,减少二氧化碳(CO2)的排放量。这样可以降低发动机负载(向按需系统转变),优化内燃机效率。

  汽车电气化已呈现出不可逆转的趋势。电气化已成为许多现代汽车元件设计的基础。例如,将液压转向装置更换为电动助力转向装置已经显着降低CO2排放量(在某些车型中最高可减少5%)。而HEV能够进一步降低CO2排放量。

  十年前某些汽车制造商仍然质疑HEV的可行性,而如今HEV的商业价值正在被全球市场所认同。汽车市场中HEV的重要性正与日俱增。行业分析公司Freedonia预测,从现在到2018年,混合动力汽车的全球销售量将扩大一倍以上。目前日本在HEV领域处于主导地位(汽车年销量超过20%)。紧随其后的是北美洲和欧洲(虽然北美洲和欧洲区域的HEV销售量远不及日本)。

  现有的HEV有很多类型,包括:微混合动力汽车、轻度混合动力汽车、全混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及电动车。值得注意的是,微混合动力汽车还不能算作真正意义上的HEV,这种汽车仅增强了起动机并加装了交流发电机。并没有真正改变传动系统。

  提高能效

  汽车制造商正在考虑以不同的方式缩小发动机尺寸,以达到减排目的。涡轮增压器的主要功能是管理气体(数据结果显示CO2/km有所下降),长期以来涡轮增压器对优化传统内燃机工作效率发挥着重要作用。其原理是通过高温压缩废气驱动涡轮次级“冷却侧”回路,压缩进气口气体进行二次燃烧循环。同时,废气混合物也可以进入废气再循环(EGR)系统中的次级进气口,从而使尾气达到最严格的排放标准——例如氮氧化合物(NOx)相关标准,过滤器气体标准。

  涡轮增压器有其固有的缺点,即响应滞后。涡轮增压器只有在达到某个RPM阈值后才能启动。即便经过优化,例如可变截面涡轮增压器(VGT)通过保持最优长宽比调整RPM,也依旧无法避免滞后情况的发生。事实上只有消除这种问题并且使涡轮增压器在任意RPM连续运转才能获得理想的工作效果。而目前克服这种技术局限性的一种方式就是使用电动增压器。由废气产生的压力不足以用于压缩进气口气体,但如果安装电动机可以有效弥补这一“压力差”,从而避免滞后情况的发生。

  普遍认为,所有汽车增压器都应至少具备启动/停止功能。但尽管如此,启动/停止功能并未完全普及,而针对启动/停止功能的强制规定也尚处于立法阶段,预计于2020年全面推行。此时亟需进一步推动混合动力化/电气化发展。

  全混合动力汽车

  全混合动力系统通常采用40kW至70kW电动机,与汽车内燃机联动。全混合动力汽车与同类内燃机汽车相比,最突出的优势是CO2减排量几乎达到了35%。大多数情况下,当汽车发动机运转时或达到某个转速以上时,汽车内置电动机会始终保持运转。但由于大功率电动机必须在高压下才能运转,因此这种内置电动机的汽车需要配置的电池组尺寸大、质量佳、成本高。插电式混合动力汽车需要加装车载充电器电子器件才能满足长途驾驶时的续航要求。

  轻度混合动力汽车

  与全混合动力汽车、插电式混合动力汽车和电动汽车并列的是一款全新的HEV。这种HEV被称为轻度混合动力汽车。轻度混合动力系统与启停系统或微混合动力系统相比,功能性更好。与HEV相比,这类汽车在很多方面与传统的内燃机汽车有更多的相同之处。

  轻度混合动力汽车和全混合动力汽车的区别在于,轻度混合动力汽车电动机的功率范围为5kW至20kW,无法推动汽车行进。而负责推动汽车行驶的是汽车内燃机,电动机只起辅助作用即扭矩辅助。这种配置方式可以将燃油效率提高10-15%,相比之下全混合动力系统的燃油效率可轻松达到该值的两倍。

  对于轻度混合动力汽车而言,汽车制造商仍需要尽可能缩小发动机尺寸,降低尾气排放量。其优势是减少了线束重量、降低了线束成本,且无需遵守高电压电池相关的高隔离度标准。同时还可以保证车辆拥有极佳的性能,且不会对驾驶体验造成影响。由于轻度混合动力系统电压低于全混合动力系统电源,因此轻度混合动力系统上需要加装升压器才能保证其正常实现动能回收功能。

  一般在汽车加速时,综合式传动带起动机发电机(iBSG)系统、综合式电动机辅助(IMA)系统或传动带辅助起动机(BAS)都可以使汽车瞬间加速。动能回收系统(KERS)通过对电池进行再充电和/或对电气负载充电从而进一步提高总体效率。

  与全混合动力系统相比,轻度混合动力系统在燃油效率方面可能优势并不明显,但其能够有效增强传统内燃机汽车的性能,较之全混合动力系统具有更高的性价比。对于指定车型而言安装全混合动力系统需要额外花费3000至4000欧元,而安装轻度混合动力系统只需要花费1000欧元左右 - 因为它不需要普通电池所需的电量和功率。据此,IHS Automotive预测截至2020年,轻度混合动力汽车占HEV总产量比重将达到15%左右。

  目前来看在西欧地区轻度混合动力汽车(包括微混合动力汽车)最受用户青睐。很有可能在今后的几年里,这种特殊的HEV汽车在欧洲市场的销量将达到全球销售量的一半左右。如果48V系统能够达到轻度混合动力系统逆变器指定的功率值,那么毫无疑问其电流一定会超出200A的基准值。

  逆变器硬件由于成本较高,在一定程度上也阻碍了HEV的普及,为此政府通常会通过补贴或其他奖励计划(例如在日本混合动力汽车不用缴纳公路税;在上海可以免费办理牌照,或可折合成数千美元)吸引更多的买家购买。使用低功耗、小型逆变器可以大幅度降低HEV生产成本。虽然这种方案能够促使HEV降低价格、减轻整体重量,这一点本应对HEV车型取得商业成功起到促进作用 - ,实际上仍存在着其他问题:逆变器的功率密度更高,因此需要研发更为先进的电流传感技术。

  为了应对能够描述当前和未来HEV设计的较大电流,Melexis在其可编程电流传感器IC IMC-Hall?系列中加入了一款新设备 - MLX91208CAV。该产品目前已获得AEC-Q100认证,其主要应用于高端应用领域,它的出现对公司广泛使用的低场强(CAL)和高场强(CAH)设备起到了补充作用。它能够处理1000A以上的电流。这种电流传感设备采用了标准SOIC8表面贴装方式,因而更加节省空间。这种产品有效满足了现今HEV市场对逆变器设计小型化的需求。

  集磁片

  MLX91208系列传感器采用的专利集磁片(IMC)能够精确测量电流,且不需要外装任何大尺寸铁磁芯。因此采用这种产品的传感方案尺寸更加紧凑。此外,IMC还采用了创新型结构,其磁感应强度方向平行于传感器IC表面和中央散射场 - 磁感应强度与施加电流成正比例——使用效率更高的水平霍尔板检测磁感应强度。

  本质上,IMC是一种沉积在后加工处理晶圆表面上的铁磁性薄膜合金。IMC很多优点均源于这种制造工艺 - 其最突出的优点是可产生磁增益,从而提高了信噪比(与垂直霍尔板进行对比时效果尤为明显)。后加工处理晶圆(WPP)采用了高质量合金,从而最大程度降低了某些负面作用(例如迟滞现象):在WPP中加装聚磁器比使用同级材料制成的大尺寸外部聚磁器成本更低。

  此外,使用集成式聚磁器时不需要执行复杂的装配程序。为避免临近并联电流导体相互干扰,IMC霍尔传感器配置了隔磁套。其内置物比磁芯性能更好 - 磁芯需要安装在电流传感装置内(尺寸和质量更大,系统总成本大幅度增加)。此外,U形隔磁套可以垂直叠放,从而极大地简化了装配操作。

 

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