當(dāng)今的汽車正朝著提供高能效同時對環(huán)境影響降至最低的方向發(fā)展。但就長遠而言，以非石油為基礎(chǔ)的動力系統(tǒng)似乎是最具前景的解決方案;與此同時，汽車工業(yè)正在推出基于現(xiàn)有技術(shù)引入更多改進。一項主要趨勢是混合動力化(hybridization)，其中微混合動力(包括停止-啟動系統(tǒng))和輕度(mild)混合動力存在大量增長機會。這些“適度混合動力”方案可能看上去已經(jīng)過氣，但業(yè)界仍在圍繞這些應(yīng)用進行大量電子及機械開發(fā)。
本文將首先審視一些跟倫德爾(Lundell)式電動機(更廣為人知的名稱是“交流發(fā)電機”)相關(guān)的持續(xù)改進的極佳示例。由于采用了更好的電子控制，它的能效提升了，更多的能量被恢復(fù)，發(fā)動機頻繁啟動的影響被處理平順了。本文的第二部分將重點介紹汽車中加入的更多傳感器，這些傳感器將幫助進一步降低傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機對石油的依賴。最后一段闡釋現(xiàn)有電感型傳感器技術(shù)可以怎樣優(yōu)化剎車踏板以幫助汽車節(jié)省更多能量。
啟動交流發(fā)電機
在啟動交流發(fā)電機系統(tǒng)中，無源整流二極管被大電流開關(guān)替代。這些開關(guān)負責(zé)驅(qū)動啟動交流發(fā)電機，使其作為電機(啟動機模式)，并在交流發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生的定子電流上執(zhí)行同步整流(交流發(fā)電機模式)。同步整流大幅通過以高導(dǎo)電性的通道分流(本體)二極管，提升交流發(fā)電機能效，將正向壓降降至低于150 mV。
此應(yīng)用的一項主要功能挑戰(zhàn)就是確保在定子電流反向時開關(guān)以極快速度關(guān)斷;開關(guān)關(guān)斷有任何延遲都會導(dǎo)致不必要的電池放電，其方式跟常規(guī)二極管的反向恢復(fù)非常類似。有鑒于此，預(yù)驅(qū)動器IC包含在自主門極控制環(huán)路內(nèi)部工作的高歪曲率驅(qū)動器，設(shè)計目的是在整流期間歐姆損耗與電流符號改變時的過渡損耗之間取得盡可能最佳的折衷。在IC中集成這些預(yù)驅(qū)動器相當(dāng)復(fù)雜。
首先，它要求多種不同電壓域共存在同一個硅襯底上，同時確保這些電壓域之間的可靠通信。
其次，啟動交流發(fā)電機的驅(qū)動器IC被置于可能是環(huán)境最惡劣的位置，可能會遭受電池反向、負載突降、陰極接地轉(zhuǎn)移、定子相位上極大的dV/dt(數(shù)量級為每微 秒100 V)、電磁干擾等多種瞬態(tài)事件。同樣，使用差分技術(shù)及細致管理硅襯底上的寄生(雙極)效應(yīng)，有可能采用高性價比的降壓技術(shù)而非絕緣硅(SOI)技術(shù)來構(gòu)建此類IC。
圖1：啟動交流發(fā)電機中采用強固的預(yù)驅(qū)動器來控制高門極-源極電容(Cgs)的MOSFET
除了傳統(tǒng)鉛酸電池，我們看到越來越多的儲能組件被用于啟動-停止系統(tǒng)中的電源網(wǎng)絡(luò)，如鋰離子電池、超級電容等。在這些系統(tǒng)中，安全領(lǐng)域變得跟核心功能一樣重要。因此，我們看到ISO26262安全標準越來越多地進入我們的視野，有時會導(dǎo)致相當(dāng)部分硅片面積專門用于監(jiān)測應(yīng)用，檢測此IC及其伴侶IC的運行健全狀況，并在有需要的情況下確保安全狀態(tài)。
最后，智能電路及大功率元器件在緊鄰位置的組合表示控制電路的結(jié)點溫度大幅上升;在應(yīng)用中需要考慮工作結(jié)點溫度高于175℃的情形并不罕見。此外，在元器件認證階段，可能使用高達200℃的溫度來進一步加速老化過程，以將使用壽命測試時長保持在合理的2，000小時之內(nèi)。通過使用帶有擴展溫度范圍的硅工藝，并在設(shè)計階段將在設(shè)計約束考慮在內(nèi)，就能夠有效地應(yīng)對這個挑戰(zhàn)。
內(nèi)燃發(fā)動機中使用的傳感技術(shù)
傳感器在使當(dāng)代內(nèi)燃發(fā)動機達到前所未有的能效水平，同時還將排放降至最低。例如，空氣流量(MAF)傳感器衡量進入發(fā)動機燃燒室的空氣量，從而精確噴入恰當(dāng)數(shù)量的燃油。而在發(fā)動機的另一端，氧氣和氮氧化物(NOx)傳感器直接測量廢氣成分，并將信息饋送回給發(fā)動機控制單元(ECU)。
壓力傳感器的進襲事實上無所不在，代表了一種伴隨內(nèi)燃機演進及追求增強控制的趨勢。最初是歧管絕對壓力(MAP)傳感器，此傳感器是使用MAF傳感器之外的另一選擇。隨著燃油噴射技術(shù)的進步，需要汽車直噴(GDI)及柴油直噴(DDI)壓力傳感器來配合通過直接連接至每個氣缸燃燒室的共軌燃油管測量噴射的燃油壓力。后者某些時候要求柴油微粒過濾器(DPF)來減少油煙，而DPF需要要求傳感器來幫助維持適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件。即使是在發(fā)動機外部，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)確保輪胎恰當(dāng)充氣，從而不僅提供更好的安全性，還提供更高的燃油效率，因為輪胎滾動阻力減小了。
