电力电子技术在汽车电子中的应用

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集电力电子技术在汽车电子中的应用王旭东马春红余腾伟哈尔滨理工大学汽车电子研发中心哈尔滨黑龙江150040E-mail:[e-mail]摘要本文针对电力电子技术在迅速发展的汽车电子中的大量应用进行了讨论。简单介绍了汽车电子技术的发展动态，讨论了汽车电子技术的主要研究内容，通过实例分析了电力电子技术在汽车电子中的应用，经分析可以看出，汽车电子中有相当一部分问题是属于电力电子技术的范畴，这其中也包含汽车电子技术的热点、难点等问题。关键词汽车电子技术，电力电子技术1汽车电子技术的发展现状随着中国汽车工业的发展，以及汽车消费者对汽车各方面要求的不断提高，汽车电子产品市场在中国逐步兴起并迅速壮大起来。汽车电子不仅仅是汽车中的仪表盘和视听系统，EMS、ABS、TCU和安全气囊等众多汽车电子产品也被应用到国产汽车中。汽车已经成为电子信息产品的最大载体。从今年开始，中国汽车电子产品市场将进入加速增长阶段，增长的主要动力除了汽车增产以外，很大程度上取决于新型汽车电子产品在汽车产品中的普及速度不断加快，汽车稳定系统、车载娱乐系统、车载信息系统、车载网络产品等汽车电子产品将逐渐与汽车仪表、汽车空调等产品一样作为汽车的基本配置应用到汽车中。汽车电子市场这种加速增长的局面将一直持续到2008年，到2009年，中国汽车电子市场规模已达到较高的高度，而且汽车产业进入稳定发展时期，汽车电子市场规模增长速度放缓，但仍保持相当高的水平。国内现在采用的汽车电子装置主要包括发动机的燃油喷射、电子点火控制、汽车安全性方面的安全气囊、ABS等，而且多数直接引进国外产品组装。目前国内科研院所有关汽车电子技术应用的研究也主要集中在发动机控制、电控悬架、ABS、电子网络化技术、GPS导航及智能交通系统的研究等方面。我国的汽车电子技术与汽车发达国家相比还有很大差距，EMS的市场基本被国外垄断，国产化的步伐相对较慢。可以预料，随着国产汽车的技术进步，汽车领域的电子新技术必将会得到越来越广泛的应用，国产汽车积极采用电子装置指日可待。虽然我们要赶上国际汽车界的最高水平还有一段很艰难的路要走，但将来在世界汽车技术尤其是汽车电子技术应用这一领域，我国必将占有一席之地。2汽车电子技术的主要研究内容功率半导体器件是电力电子技术的核心部件，它的不断发展，使电力电子技术也始终保持着一个蓬勃发展的面貌。电力电子技术的覆盖面迅速扩展，进入了许多开始时未能预计的领域，尤其是在通讯、电脑、消费电子和汽车电子四个方面的应用。在此以汽车电子为主，讨论电力电子技术在该领域的广泛应用。现代汽车电子技术主要可以分为以下五大类：z发动机的电子控制z传动系统的电子控制z安全行驶的电子控制z电动汽车技术z车载电子娱乐系统下面进行详细分析，由此我们可以看出电力电子技术在汽车行业的重要应用。2.1电子点火系统微机控制的电子点火系统主要由各种传感器、电子控制器（ECU）、电子点火组件、点火线圈、配电器、火花塞等组成。第一代电子控制模块着重强调了功能的实现，但是现在的焦点集中在带有更高级别集成度和复杂度的优化成本的半导体划分上。这种集成的趋势给点火系统带来了很多革新。在很多汽车电子系统里面，机械解决方案已经完全被电子解决方案所取代。中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集随着电子技术的发展，目前又出现了智能点火系统，如基于Infineon公司BTS2146/7汽车智能点火系统。BTS2146/7可以精确的点火定时以及空载/过载检测，尤其适用于电子点火系统。再加上一个与微控制器相匹配的输入和诊断反馈，那么就可以用于智能点火线圈的驱动了。智能型IGBT的内置保护功能增加了系统的可靠性，而且它的附加诊断功能满足了用户和政府的需求。下面是电子点火系统点火时电压和电流的波形图。当驱动电压由高电平变为低电平，则驱动管IGBT由导通状态转入截止状态，VCE由零电压开始上升。同时低压线圈的电流即ICE由饱和值开始下降，由于dtdi的作用将在低压线圈中感应出电压，这个电压被嵌位在410伏左右，此电压一方面保证高压线圈的点火电压，另一方面又保证IGBT不会被击穿。2.2汽车雨刷系统在汽车系统中，雨刷的周期性摆动是借电机的转动作用，靠连杆完成的。雨刷的电机一般都是使用直流电机。雨刷可以根据雨量的大小来调节摆动的快慢，其本质也就是对电机转速的调节。在传统的雨刷系统中，主要通过一个直流电机带动连杆使雨刮摆动，采用的是机械同步方式，这种方式占用的空间比较大，而在汽车中，尤其是客车中，由于机箱空间的限制，采用机械同步方式就有一定的局限。现多采用两个直流电机带动雨刮摆动，而两个雨摆之间采用了电子控制方式进行同步，这样不但节省了空间，而且通过控制可以实现电机连续调速，使雨刮摆动速度可以连续调节。另一个优点是，这种方式既可以人为的调节，也可以通过雨滴传感器根据雨量的多少来调节。因此这种雨刷控制方式在汽车上得到越来越多的应用。这种雨刷器的调速电路多采用功率MOSFET作为驱动元件，并采用PWM控制方式。2.3汽车传动系统的电子控制采用无级变速箱（CVT）的汽车有利于提高整车的舒适性和经济性。无级变速箱控制器（TCU）也是电力电子技术在汽车中应用的典型例子，它包含了无级变速箱速比电动机的驱动控制部分，电磁离合器驱动控制部分和供电系统的开关电源。该变速箱控制器能够根据车速、驾驶员的愿望、道路情况等条件自动变换车速，而无需驾驶员手动换档，提高了驾车的舒适性和安全性。奇瑞汽车有限公司研制的一款无级变速箱控制器中，变速箱速比电机的驱动是采用H桥电路，目前正在试验中。用于电磁离合器驱动的开关电源电路如图1所示。图1中电磁离合器的驱动电路类似于H桥，由T2、L1和C1组成的开关电源与T3构成电磁离合器的正向驱动电路，用于控制离合力的大小。T1和T4的作用是反向去磁。2.4汽车安全行驶的电子控制自动防抱死制动系统（ABS），一般由车轮转速传感器、压力调节装置、ABS警告灯和一些继电器组成。它能够使高速行驶中的汽车在制动时自动调整车轮的制动力，获得最佳的滑移率。在制动过程中，随着制动力的增大，车轮的减速度也在不断的增大，当车轮的减速度达到预先的设定值时，防抱死系统就使制动力处于不变状态，当减速度进一步增大时，ECU发出指令给执行机构，使车轮的制动力处于减小状态，从而阻止车轮的抱死。因而提高了汽车的操纵稳定性，减小了制动距离，提高了汽车的行驶安全性。随着电子集成化的不断进步，现在已有很多专门用于ABS的控制芯片，而且应用方案也越来越成熟。在ABS系统中主要的驱动就是对电机的驱动和对8个电磁阀的驱动。关于电磁阀的驱动，现多采用模块电路，图2为采用英飞凌公司BTS6510和摩托罗拉公司MC33385模块的电磁阀驱动电路实例。2.5混合动力汽车21世纪汽车的三大任务分别是：安全、节能与环保。其中环保与节能主要表现在引擎与传动系统的电子控制，混合动力电动汽车(Hybrid-ElectricVehicleHEV)把普通汽车的内燃机和电动汽车的蓄电池及电动机组装在一辆汽车上，为汽车提供牵引力。HEV给用户带来了普通汽车和电动汽车的双重好处：燃油行驶距离延长和加油快速；节省能源和环保。与普通汽车相比，HEV的实际优点是燃油效率提高，尾气排放降低。HEV中主要包括以下几个部分。a.电源原来在电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但由于铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。现在在混合动力车中电源采用镍氢电池，选择镍氢电池的原因是它有单位体积能量高、循环寿命长、放电过程控制简单、无污染等优点。中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集b.逆变器现在ST公司已经设计出一款新型的能够封装大尺寸芯片的IGBT，它是将IGBT和一个高速二极管整合在一个大功率塑料封装内，为汽车制造商提供了更高的独立性，降低了对模块供应商的依赖性。这个解决方案将可靠性极高的完整的双向电流开关组件与大批量制造技术完美地结合在一起。c.软开关的使用在混合动力汽车中采用了零电压和零电流转换技术，具有高开关频率、低开关损耗和低电磁辐射等优点。3汽车电子技术的热点问题3.1车电子产品电磁兼容性问题所谓电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其运行电磁环境中符合要求运行并且不对其环境中的任何其它设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰（EMI）不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（EMS）。汽车电子设备和汽车电子产品中的许多导线、线圈，它具有不同的电容和电感，这些电容、电感构成的闭合回路中会形成震荡回路。在电路断开和接通的瞬间，触点间会产生火花或电弧。电火花和电弧本身就是一个发射高频电磁的干扰源，其产生的电磁干扰（EMI）会向四周的空间发射电磁波，影响其他通讯设备和电子设备的正常工作。因此，汽车行驶时这种干扰电磁波可能破坏大多数无线电设备的正常工作，还能扰乱军用车辆上携带的导弹系统部分无线电、雷达和计算机电路控制系统的正常工作。此外，汽车产生的电磁干扰不但能影响外界的电子设备的正常的工作，而且也会影响汽车电器系统本身日益怎过的现代化汽车电子电器设备和汽车电子电器产品的正常工作，同时，外界的电磁干扰也会影响汽车上电子设备的正常工作。因此，要保证诸如ABS、发动机燃油电子控制等系统和其它电子设备正常、可靠地工作，就必须重视对电磁兼容性的研究和设计。所以解决汽车电器系统的电磁兼容性已成为一个重要课题。3.2汽车电子产品的温度特性汽车电子相对工业控制而言，对环境的要求比较高，工业级电子元器件要求的范围一般是-40℃到80℃，而汽车级别的温度范围要达到-40℃到125℃。在汽车进入市场之前要对汽车各种性能及电子元器件进行极寒和极热试验，因为汽车不同于一般的工业产品，它有可能在温度方面要适应差别极大的环境，汽车电子要适应于在这种环境长期工作，因此它的温度范围要比工业级宽一些。3.3汽车电子产品效率随着汽车中功能的不断增多，功率器件也相应增多，而在汽车有限的空间中器件的散热问题越发突出，如何有效的解决好这个问题，成为工程师们比较关注的问题。解决该问题一个有效的方法是提高电子控制单元的效率，降低散热。电子控制单元效率的提高在电力电子技术领域也受到很大关注。在HEV中汽车电子效率问题更加明显，这不仅关系到燃料节省方面，另一方面还关系到如何在一定的燃料下行使更远的距离。燃料系统将能量部分转化为动力，部分转化为电能。而电力系统所完成的功能是，既要完成存储电能功能，又要在需要时将电能在转化为动能。在此过程中不难看出，HEV要达到更有效的节省燃料，提高动力性，对各系统的电子控制技术和整车的动力系统进行优化是很有必要的。另外提高效率的另一方面是改善电力系统的制动能量回收技术。4结论电力电子技术经过近半个世纪的发展，取得了辉煌的成就，其应用领域也相应的有了很大的扩展，汽车电子就是其中一个重要的应用分支。从汽车电源、电子控制、电机和电磁离合器的驱动到电路保护各个方面无不涉及到电力电子技术，相信在汽车电子的不断发展中，电力电子技术的比重将会越来越大。MRS+中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集图1电磁离合器驱动电路和开关电源电路图2(a)电磁阀高端驱动图2(b)电磁阀低端驱动参考文献[1]韩建保，袁婕．先进传感器技术在轿车上的应用［J］．汽车与安全．2003，（11）．[2]《汽车电器与电子技术》秦明华编著北京理工大学出版社2003[3]《汽车电器与电子控制系统》麻友良丁卫东主编机械工业出版社2003[4]《关于车辆电磁兼容性能认证的统一规定》欧洲国家经济委员会（E.C.E）1949.4.1[5]JanPolfliet汽车系统ASIC、ASSP和电磁兼容性(EMC)设计[6]张为佐.关于电力电子技术发展中的几点感受.电力电子学术报告会.[7]WilliamA.RadaskyMetatechCorpEMC对电子系