汽车电子系统的低油耗设计简述

中心议题：
    *  电源系统与冷却风扇设计
    *  启动电机与动力转向系统设计
    *  传动系统与制动系统设计
解决方案：
    *  采用新一代的低导通电阻功率MOSFET

前言

我们如何才能使汽车驾驶室具 备更多的功能，使发动机具有更大的功率，同时还能够符合各国政府对每加仑行驶距离的要求?只有采用新一代的低导通电阻功率MOSFET将汽车中传统的电力 系统和液压系统改为电子系统，这些MOSFET不但可以提高汽车的舒适性和安全性，还能够提高燃油的行驶距离。

发动机不仅仅要让汽车在路上行驶，还要为整个汽车系统提供动力。现在人们对汽车的娱乐性、舒适性及安全性的要求越来越高。通过深入分析发现，对于一辆普通的 汽车，每加仑的汽油所产生的能量最终用在车轮行驶上的不到15%，而大部分的能量都变成热量浪费掉。美国的法律规定，客车每加仑必须平均行驶27.5英 里，而对于占新车销售量一半以上的汽车，如SUV、小型客车和轻型卡车等，要求在2007年达到每加仑平均行驶22.2英里的新标准。

人们要求汽车制造商提供一种效率更高、功能更多的汽车，而它的成本又要在大众可以接受的范围之内。为了做到这一点，许多系统都在进行很大的改进，例如，为提 高发动机的燃料燃烧效率，将液压系统改成电子系统(这样可以在许多方面减少发动机的能源消耗)。在减少能源浪费方面，几乎每一个系统都受到关注。

电源系统与冷却风扇

在发电方面，在 汽车中产生直流电源的传统方法是使用交流发电机，并在发电机的轴上装一个皮带轮，该风扇皮带是曲轴带动的。交流发电机产生的交流电通过二极管三相整流桥转 换成直流电。在额定电流下，二极管上一般约有1V的电压降。如果汽车用了1kW(大约70A)的功率，那么二极管消耗的功率大约是140W，按效率80% 计算，需要发动机多提供175W的功率来抵消掉二极管整流桥的影响，这些功率转变成热量散失掉。用MOSFET代替二极管后，功率损耗就会降低到2W以 下，节省下来的能量可以用来提高1%～3%的单位燃油行驶距离，也可以用来驱动其他系统。

发动机的冷却风扇可以由传统的发动机曲轴带动改为电子风扇，电子风扇只在必要的时候才运转，而且仅用一只MOSFET来控制，可以节省至少100W功率。

启动电机

试想，当转动钥匙发动汽车时，启动电机就会带动发动机启动汽车。然后交流发电机就会对电池进行充电，为整个电气系统供给电力。而在其他的时间里，启动电机不起任何作用，反而是一个负担。

发动机和电机的基本设计是一样的，它们最主要的差别在于电能的流向不同。目前，启动电机是用直流电机，可以很容易地利用一个功率MOSFET逆变桥电路将直 流电源(例如电池)变成交流电源，并用它驱动作为启动电机的交流电机转动。一旦发动机运转起来，还可以用功率MOSFET逆变桥电路的整流状态将交流电转 换为直流电，为电气系统供电。所有的这些只要用一个交流发电机启动器和一个功率MOSFET逆变桥电路就可以实现。在带动一个3kW的负载时，这个功率 MOSFET逆变桥的损耗不到10W。

动力转向系统

动力转向系统是系统改 造的一个很好的思路。传统的动力转向系统采用放大的方法来减少转动方向盘所需要的力量，这种方法是利用液压动力转向泵来达到目的的。采用具有固定放大倍率 的动力转向系统存在一个很大的缺点，如果把系统设计成减少汽车在静止时转动方向盘所需要的力量，那么在高速行驶时，方向盘就会显得松一些。一个常规的系统 有一个液泵，它采用机械的方法连接到发动机上，在运转时，即使汽车走的是直线，它也要消耗能量。

应用完全的电子动力转向(EPS)系统就可以去掉加在发动机上的固定负载。在电子转向系统中，电机直接装在齿轮齿条转向部件上，例如在小汽车中，直接装在转 向柱上。这些电机由RDS(ON)很小的功率MOSFET进行高效率的控制。这些系统从发动机吸收的功率比较小，但能提供更多的能量，燃料的效率也更高。 除了工作时的能耗更低外，这些系统比传统的液压动力转向系统价格更低。完全的EPS系统比传统的系统质量更轻一些，这也有利于提高燃料的效率。

传动系统

在传动过程中，使用扭矩变 换器的传统自动变速箱与手工传动相比，燃料消耗会增加5%～10%。现在，改为使用由先进的功率半导体技术来驱动电液系统，取消了扭矩变换器，也就减少了 能量损耗。但是，这样液泵和与液压系统相关的所有重量也都还在。在将离合器以及采用先进的沟道式功率MOSFET来控制的变速器固定到手动变速箱中时，自 动化的手动变速箱就会提高燃料利用率。这项技术最初是针对一级方程式赛车而研制的，这种汽车开起来就像是传统自动汽车，司机不需要换挡，使得燃料的消耗减 少了5%～10%。
 

制动系统

我们已经讨论过电液制动系 统，该系统现在已经采用由先进的功率半导体(如槽栅MOSFET)控制的电动机来代替原有的辅助真空制动闸。然而，在定钳盘或刹车鼓上固定电气制动器的地 方是可以装上电气制动闸的。电气制动器可以进行稳定的控制，对每个车轮进行制动，纠正其任何旋转的趋势。我们现在已有的ABS系统使用的是功率 MOSFET，如果汽车上的计算机检测到了汽车失控滑行，该系统就会发出一个脉冲触发式制动闸动作。

结论

综合考虑以上节能方案，汽车电子系统的应用不仅可以明显提高汽车发动机的效率、减少油耗，而且还可以提高汽车的性能，进一步降低成本。