對(duì)汽車(chē)電子系統(tǒng)低油耗設(shè)計(jì)的討論

前言

我們?nèi)绾尾拍苁蛊?chē)駕駛室具備更多的功能，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的功率，同時(shí)還能夠符合各國(guó)政府對(duì)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(chē)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(chē)的舒適性和安全性，還能夠提高燃油的行駛距離。

發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅要讓汽車(chē)在路上行駛，還要為整個(gè)汽車(chē)系統(tǒng)提供動(dòng)力?，F(xiàn)在人們對(duì)汽車(chē)的娛樂(lè)性、舒適性及安全性的要求越來(lái)越高。通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一輛普通的 汽車(chē)，每加侖的汽油所產(chǎn)生的能量最終用在車(chē)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(guó)的法律規(guī)定，客車(chē)每加侖必須平均行駛27.5英 里，而對(duì)于占新車(chē)銷(xiāo)售量一半以上的汽車(chē)，如SUV、小型客車(chē)和輕型卡車(chē)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(chē)制造商提供一種效率更高、功能更多的汽車(chē)，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(diǎn)，許多系統(tǒng)都在進(jìn)行很大的改進(jìn)，例如，為提 高發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的能源消耗)。在減少能源浪費(fèi)方面，幾乎每一個(gè)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(chē)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(gè)皮帶輪，該風(fēng)扇皮帶是曲軸帶動(dòng)的。交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電通過(guò)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(chē)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(jì)算，需要發(fā)動(dòng)機(jī)多提供175W的功率來(lái)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(huì)降低到2W以 下，節(jié)省下來(lái)的能量可以用來(lái)提高1%～3%的單位燃油行駛距離，也可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他系統(tǒng)。

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

啟動(dòng)電機(jī)

試想，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙發(fā)動(dòng)汽車(chē)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)汽車(chē)。然后交流發(fā)電機(jī)就會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電，為整個(gè)電氣系統(tǒng)供給電力。而在其他的時(shí)間里，啟動(dòng)電機(jī)不起任何作用，反而是一個(gè)負(fù)擔(dān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的基本設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)是用直流電機(jī)，可以很容易地利用一個(gè)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(dòng)作為啟動(dòng)電機(jī)的交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

一旦發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，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(gè)交流發(fā)電機(jī)啟動(dòng)器和一個(gè)功率MOSFET逆變橋電路就可以實(shí)現(xiàn)。在帶動(dòng)一個(gè)3kW的負(fù)載時(shí)，這個(gè)功率 MOSFET逆變橋的損耗不到10W。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

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

采用具有固定放大倍率 的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，如果把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成減少汽車(chē)在靜止時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)所需要的力量，那么在高速行駛時(shí)，方向盤(pán)就會(huì)顯得松一些。一個(gè)常規(guī)的系統(tǒng) 有一個(gè)液泵，它采用機(jī)械的方法連接到發(fā)動(dòng)機(jī)上，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即使汽車(chē)走的是直線(xiàn)，它也要消耗能量。

應(yīng) 用完全的電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)就可以去掉加在發(fā)動(dòng)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(chē)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(dòng)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(shí)的能耗更低外，這些系統(tǒng)比傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)價(jià)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(dòng)系統(tǒng)

在傳動(dòng)過(guò)程中，使用扭矩變 換器的傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱與手工傳動(dòng)相比，燃料消耗會(huì)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)控制的變速器固定到手動(dòng)變速箱中時(shí)，自 動(dòng)化的手動(dòng)變速箱就會(huì)提高燃料利用率。這項(xiàng)技術(shù)最初是針對(duì)一級(jí)方程式賽車(chē)而研制的，這種汽車(chē)開(kāi)起來(lái)就像是傳統(tǒng)自動(dòng)汽車(chē)，司機(jī)不需要換擋，使得燃料的消耗減 少了5%～10%。

制動(dòng)系統(tǒng)

我們已經(jīng)討論過(guò)電液制動(dòng)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(dòng)機(jī)來(lái)代替原有的輔助真空制動(dòng)閘。

然而，在定鉗盤(pán)或剎車(chē)鼓上固定電氣制動(dòng)器的地方是可以裝上電氣制動(dòng)閘的。電氣制動(dòng)器可以進(jìn)行穩(wěn)定的控制，對(duì)每個(gè)車(chē)輪進(jìn)行制動(dòng)，糾正其任何旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。我們現(xiàn)在已有的ABS系統(tǒng)使用的是功率 MOSFET，如果汽車(chē)上的計(jì)算機(jī)檢測(cè)到了汽車(chē)失控滑行，該系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖觸發(fā)式制動(dòng)閘動(dòng)作。

結(jié)論

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