利用主动短路技术增强48V轻混电动汽车的保护性能

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你有没有想过为什么一辆汽车的城市燃油经济性总是低于它的高速公路燃油经济性?因为大多数汽车会花费大量的停车或低速行驶时间,尤其是在城市道路上。启停技术有助于解决前一种情况;如果车辆不动,为什么要启动发动机并排放废气?后一种低速行驶条件仍然存在效率问题,因为您的标准汽油发动机在低速时效率不高。

如图1所示,发动机在低速运行期间产生的扭矩较低。在低速状态下花费较多时间会导致行驶效率降低以及燃油经济性的降低。即使是采用启停技术的车辆,在城市里行驶时每升汽油行驶里程仍比在高速公路上低30%。

 

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图1:内燃机常见的扭矩/转速曲线,表明车辆在低速行驶期间的扭矩会低很多。本文图片资源来源:TI

轻度混合动力电动汽车(MHEV)可提升低速行驶时的效率,其中的启动发电机是MHEV设计的核心部件(图2)。

 

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图2:MHEV中的启动发电机可用于提升低速行驶时的效率。

启动发电机-MHEV的根本

与内燃机相比,启动发电机这类的电机具有巨大的优势;它们在低速时可以提供令人难以置信的扭矩。电机即使在完全失速的情况下也能真正输出扭矩,这对于传统发动机来说是不可能的。在MHEV中增加的这种电机在启动发动机之前,先将汽车从停止状态变为低速状态(电机辅助模式),并且允许其驱动车辆。

电机还可以在发电机模式下发电,当车辆滑行或减速时将电能存储到汽车电池中,并在下一次停车时使用该能量。启动发电机将发动机的启动机和交流发电机的功能组合成一个部件,从而减轻了车身重量。

启动发电机电机有多大?首先,想象一下它需要做什么:将一辆重量在3,000到7,000磅或1,360到3,175公斤之间的载满乘客和货物的车辆在几秒内从静止状态推动到大约5英里/小时(8公里/小时)的速度。任何推过故障车的人都会痛苦地告诉你,这可不是一桩小事。启动发电机需要能够输出5kW到30kW甚至更高的功率。

如此高的功率需要使用48V电池,这使得MHEV独一无二。来自标准12V电池的30kW功率相当于惊人的2,500A(P=V×I)。这将需要大约8根0000AWG的并联线(线径为0.46英寸或11.7毫米)来驱动该电流。如果使用48V电池,则“仅”需要625A就可以实现30kW,从而将电流和相关连线布线厚度减少四倍。如此大型电机的输出功率要求MHEV采用新的系统电源拓扑。

 

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图3:启动发电机系统包括电机、MOSFET、栅极驱动器、微控制器和其他组件。

图3显示了这类系统的典型框图,包括电机、MOSFET、栅极驱动器、微控制器和一些其他组件。作为设计用例,DRV3255-Q1评估模块的培训视频中给出了一个示例,对电机旋转原理进行了详解。

大功率启动发电机系统的挑战

启动发电机电机在电机辅助模式和发电机模式下都会起作用,这导致了一些系统挑战。任何电机都可以将电能(电压和电流)转换为机械能(扭矩和速度),或者将机械能转换回电能。微控制器控制电机辅助模式,并向电机发送命令以施加扭矩。遗憾的是,这个发电机过程在受控或不受控的情况下都可能发生。

如果车辆在行驶,并且启动发电机在没有主动受控的情况下发生旋转,则电机将产生电能并将电能提供给48V电池。MOSFET体二极管充当来自电机的交流信号的整流电路。这也被称为“滑行”电机。如前所述,这是一种随重型车辆运动旋转的大功率电机,因此产生的能量可能非常大。

在电机惯性滑行的情况下,由于启动发电机会产生电流,因此电源电压将增加。我们将这种现象称为电源泵送,因为电机的反电动势会将电流回送给电池。这给系统设计人员带来的问题是,如何确保电源电压不会增加到造成系统损坏或故障的程度。图4给出了48V系统的标准电压电平。

 

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图4:ISO21780中规定了48V系统的电压等级。

这些电机系统面临的一些最危险情况包括电机在全功率旋转时突然关闭,因为系统正在处理大量能量,此时不能简单地将能量送回电池。在出现过流等故障情况时,不一定能像在低功率系统中那样关闭所有MOSFET。虽然确实需要关闭发生故障的MOSFET,但控制所有电机能量使其不会全部返回电池非常重要。

主动短路防止过压的工作原理

主动短路(ASC)的概念非常简单:它采用“制动”模式来防止发生电源泵送。在滑行模式下,电机能量通过MOSFET体二极管返回到电源,当能量对电源中的大容量电容器充电时,会导致电源电压上升。在制动模式下,MOSFET会通过“短路”电机来防止电流流入电源。如果通过导通高侧或低侧MOSFET来维持制动模式,则电流将通过MOSFET再循环,而不是返回到电源。

可以在采用分立元件的系统中实施ASC,如图5所示。48V电池上的电压监视器密切监视电源电压。如果电压太高,该电路将导通低侧或高侧MOSFET,这与栅极驱动器命令相反。一旦高侧或低侧MOSFET导通,产生的能量就会从电池中分流出去,从而防止进一步的电源泵送。

 

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图5:ASC的分立实现方案是一种可行的设计选项。

对于在这种分立情况下必须调整ASC栅极驱动设置的设计人员来说,需要尝试使用不同的串联栅极电阻值,以了解如何最好地保护系统。这包括在每次测试后将它们焊接到板上然后拆焊。了解哪些MOSFET会导通并进入制动状态也很重要;如果发生系统故障并损坏高侧MOSFET,则不能在该阶段导通低侧MOSFET,这会导致击穿现象发生。高侧制动是防止高侧MOSFET损坏的最佳解决方案。

在集成设计方法方面,以DRV3255-Q1栅极驱动器为例,它集成了ASC功能,无需再利用分立元器件实现。栅极驱动器包括一个可调节电压监视器,用于监视电源电压,能够自动导通高侧或低侧MOSFET而进入制动状态,防止任何进一步的电源泵送。ASC功能不仅在器件处于活动状态和通电状态时可用,而且在它处于待机状态时也可用。

栅极驱动器还包括一个集成式电压监视器,即使没有来自微控制器的任何输入命令,它也能监视电源电压并通过自动导通高侧或低侧MOSFET而进入制动状态,从而防止任何进一步的电源泵送。专用的nFAULT1和nFAULT2引脚可报告高侧或低侧MOSFET的故障,从而为系统微控制器快速提供配置ASC以便在高侧或低侧MOSFET上施加制动所需的信息。

DRV3255-Q1栅极驱动器甚至可以使用内部逻辑和电压监视功能自行集成高侧或低侧制动决策。这种级别的诊断和保护,为尝试创建新的48V启动发电机系统的系统设计人员提供了巨大的好处,包括:一是降低了设计复杂性;二是减少了固件开销;三是减小了体积。

 

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