汽車電子系統(tǒng)的低油耗設(shè)計

　　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)都在進行很大的改進，例如，為提 高發(fā)動機的燃料燃燒效率，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)動機的能源消耗)。在減少能源浪費方面，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，并在發(fā)電機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)動機的冷卻風(fēng)扇可以由傳統(tǒng)的發(fā)動機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

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

　　發(fā) 動機和電機的基本設(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，啟動電機是用直流電機，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)動作為啟動電機的交流電機轉(zhuǎn)動。一旦發(fā)動機運轉(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，它采用機械的方法連接到發(fā)動機上，在運轉(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)動機上的固定負(fù)載。在電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電機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。這些電機由RDS(ON)很小的功率MOSFET進行高效率的控制。這些系統(tǒng)從發(fā)動機吸收的功率比較小，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)采用由先進的功率半導(dǎo)體(如槽柵MOSFET)控制的電動機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。電氣制動器可以進行穩(wěn)定的控制，對每個車輪進行制動，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)動機的效率、減少油耗，而且還可以提高汽車的性能，進一步降低成本。