利用主動短路技術增強48V MHEV保護效能

作者 : Adam Sidelsky,德州儀器(TI)應用工程師暨Planet Analog Signal Chain Basics部落格#173作者

與內燃機相比,啟動發電機這類的電動馬達具有巨大的優勢;它們在低速時可以提供令人難以置信的扭矩。

你有沒有想過為什麼一輛汽車的城市燃油經濟性總是低於它的高速公路燃油經濟性?因為大多數汽車會花費大量的停車或低速行駛時間,尤其是在城市道路上。啟停(start-stop)技術有助於解決前一種情況;如果車輛不動,為什麼要啟動引擎並排放廢氣?後一種低速行駛條件仍然存在效率問題,因為標準汽油引擎在低速時效率不高。

如圖1所示,引擎在低速運轉期間產生的扭矩較低。在低速狀態下花費較多時間會導致行駛效率降低,以及燃油經濟性的降低。即使是採用啟停技術的車輛,在城市裡行駛時每公升汽油行駛里程仍比在高速公路上低30%。

 

圖1:內燃機常見的扭矩/轉速曲線,表示車輛在低速行駛期間的扭矩會低很多。

(來源:德州儀器)

 

輕度混合動力車(MHEV)可提升低速行駛時的效率,其中的啟動發電機是MHEV設計的核心零件(圖2)。

 

圖2:MHEV中的啟動發電機可用於提升低速行駛時的效率。

(來源:德州儀器)

 

 

啟動發電機為MHEV的根本

與內燃機相比,啟動發電機這類的電動馬達具有巨大的優勢;它們在低速時可以提供令人難以置信的扭矩。電動馬達即使在完全失速的情況下也能真正輸出扭矩,這對於傳統引擎來說是不可能的。在MHEV中增加的電動馬達在啟動引擎之前,先將車輛從停止狀態變為低速狀態(馬達輔助模式),並且允許其驅動車輛。

電動馬達還可以在發電機模式下發電,當車輛滑行或減速時將電能儲存到車輛電池中,並在下一次停車時使用該能量。啟動發電機將引擎的啟動機和交流發電機的功能組合成一個零件,從而減輕了車身重量。

啟動發電機馬達有多大?首先,想像一下它需要做什麼:將一輛重量在3,000~7,000磅或1,360~3,175公斤之間的載滿乘客和貨物的車輛在幾秒內從靜止狀態推動到大約5英哩/小時(8公里/小時)的速度。任何推過故障車的人都會痛苦地告訴你,這可不是一樁小事,啟動發電機需要能夠輸出5kW~30kW甚至更高的功率。

如此高的功率需要使用48V電池,這使得MHEV獨一無二。來自標準12V電池的30kW功率相當於驚人的2,500A (P = V × I)。這將需要大約8根0000AWG的並聯線(線徑為0.46英吋或11.7mm)來驅動該電流。如果使用48V電池,則「僅」需要625A就可以實現30kW,從而將電流和相關連線佈線厚度減少四倍。如此大型電動馬達的輸出功率要求MHEV採用新的系統電源拓撲。

 

圖3:啟動發電機系統包括馬達、MOSFET、閘極驅動器、微控制器和其他元件。

(來源:德州儀器)

 

圖3顯示了這類系統的典型框架圖,包括馬達、MOSFET、閘極驅動器、微控制器(MCU)和一些其他元件。

大功率啟動發電機系統的挑戰

啟動發電機馬達在馬達輔助模式和發電機模式下都會起作用,這導致了一些系統挑戰。任何電動馬達都可以將電能(電壓和電流)轉換為機械能(扭矩和速度),或者將機械能轉換回電能。微控制器控制馬達輔助模式,並向馬達發送命令以施加扭矩。遺憾的是,這個發電機過程在受控或不受控的情況下都可能發生。

如果車輛在行駛,並且啟動發電機在沒有主動受控的情況下發生旋轉,則馬達將產生電能並將電能提供給48V電池。MOSFET本體二極體充當來自馬達的交流訊號的整流電路。這也被稱為「滑行」(coasting)馬達。如前所述,這是一種隨重型車輛運動旋轉的大功率馬達,因此產生的能量可能非常大。

在馬達慣性滑行的情況下,由於啟動發電機會產生電流,因此電源電壓將增加。這種現象稱為電源泵送,因為馬達的反電動勢會將電流回送給電池。這為系統設計人員帶來的問題是,如何確保電源電壓不會增加到造成系統損壞或故障的程度,圖4提供48V系統的標準電壓電平。

 

圖4:ISO 21780中規定了48V系統的電壓等級。

(來源:德州儀器)

 

這些馬達系統面臨的一些最危險情況包括馬達在全功率旋轉時突然關閉,因為系統正在處理大量能量,此時不能簡單地將能量送回電池。在出現過流等故障情況時,不一定能像在低功率系統中那樣關閉所有MOSFET。雖然確實需要關閉發生故障的MOSFET,但控制所有馬達能量使其不會全部返回電池非常重要。

主動短路防止過壓的工作原理

主動短路(ASC)的概念非常簡單:它採用「制動」(亦稱為剎車)模式來防止發生電源泵送。在滑行模式下,馬達能量透過MOSFET本體二極體返回到電源,當能量對電源中的大容量電容器充電時,會導致電源電壓上升。在制動模式下,MOSFET會利用「短路」馬達來防止電流流入電源。如果透過導通高側或低側MOSFET來維持制動模式,則電流將透過MOSFET再迴圈,而不是返回到電源。

可以在採用離散元件的系統中實施ASC,如圖5所示。48V電池上的電壓監視器密切監視電源電壓,如果電壓太高,該電路將導通低側或高側MOSFET,這與閘極驅動器命令相反。一旦高側或低側MOSFET導通,產生的能量就會從電池中分流出去,從而防止進一步的電源泵送。

 

圖5:ASC的離散實現方案是一種可行的設計選項。

(來源:德州儀器)

 

對於在這種離散情況下必須調整ASC閘極驅動設置的設計人員來說,需要嘗試使用不同的串聯閘極電阻值,以瞭解如何最好地保護系統,這包括在每次測試後將它們焊接到板上然後拆焊。瞭解哪些MOSFET會導通並進入制動狀態也很重要;如果發生系統故障並損壞高側MOSFET,則不能在該階段導通低側MOSFET,這會導致擊穿現象發生,高側制動是防止高側MOSFET損壞的最佳解決方案。

在整合設計方法方面,以DRV3255-Q1閘極驅動器為例,它整合了ASC功能,無需再利用離散元件實現。閘極驅動器包括一個可調節電壓監視器,用於監視電源電壓,能夠自動導通高側或低側MOSFET而進入制動狀態,防止任何進一步的電源泵送。ASC功能不僅在元件處於活動狀態和通電狀態時可用,而且在它處於待機狀態時也可用。

閘極驅動器還包括一個整合式電壓監視器,即使沒有來自微控制器的任何輸入命令,它也能監視電源電壓並透過自動導通高側或低側MOSFET而進入制動狀態,從而防止任何進一步的電源泵送。專用的nFAULT1和nFAULT2引腳可報告高側或低側MOSFET的故障,從而為系統微控制器快速提供配置ASC以便在高側或低側MOSFET上施加制動所需的資訊。

閘極驅動器甚至可以使用內部邏輯和電壓監視功能自行整合高側或低側制動決策。這種等級的診斷和保護,為嘗試創建新的48V啟動發電機系統的系統設計人員提供了巨大的好處,包括降低了設計複雜性、、減少了韌體開銷與減小了體積。

(參考原文:How active short circuit bolsters protection in 48-V MHEVs,by Adam Sidelsky)

本文同步刊登於EE Times China 5月號雜誌

 

 

 

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