点火系统对实现更为环保的交通出行的重要性
时间:2018-04-09 14:34来源:Littelfuse
摘要:尽管2016年全球新登记的电动汽车数量创下了约为75万辆的纪录,但电动汽车(EV)仍然仅占新增轻型汽车销量的1%,远低于先前的预测。
电动汽车的漫长发展道路
尽管2016年全球新登记的电动汽车数量创下了约为75万辆的纪录,但电动汽车(EV)仍然仅占新增轻型汽车销量的1%,远低于先前的预测。预计在未来五年内电动汽车的份额将有所增加,但到2022年,仍然有大约88%的电动汽车完全由内燃机驱动,而另外10%则为既有电动机驱动也有内燃机驱动系统的混合动力汽车。
由于环境问题,有必要推行更为可持续的机动出行模式。电动汽车新闻充斥大众媒体。例如,整个汽车公司完全转型为生产电动汽车,并且各个国家承诺最终禁止销售内燃机汽车。所以,人们对电动汽车的关注是显而易见的。那么,如果是这样的话,现有的绝大多数客户为何购买仅由内燃机(ICE)驱动的汽车呢?
首先,电动汽车动力系统在可比功率和大小方面更高购置成本和拥有成本(包括维护和更换)所带来的经济影响。如果没有地方和国家行政机关的激励政策,电动汽车难以大规模进入市场。其次,需要大力改善能源基础设施的能力和便利性。此外,还必须考虑增加电网负荷,并且必须考虑需要保持稳定性,同时可靠地向不可预测、高度可变的负荷供电。
ICE汽车占了新车销量的绝大部分,市场趋势表明未来不会有重大变化。其后,为了减少汽车对环境的影响,我们必须把重点放在使天然气汽车“更环保”上面。
排放法规及其对点火系统的影响
在这方面,各国政府和国际机构要求汽车制造商采取更严格的法规减少汽车尾气排放:例如欧洲Euro 6,日本PNLT,美国Tier 1-3。而其他工业化国家正在迎头赶上:中国的“国六”和“京六”以及印度的Bharat 5和6,这些尾气排放标准遵循相当于Euro 5及以上标准。所制定的这些标准其目的都是为了大幅减少排放到环境中的污染物种类和数量,同时改善汽车行驶里程。在整车和子系统层面有实现这一目标的各种机制。虽然改进空气动力学、减少机械摩擦和增加先进的驱动辅助技术有助于推动市场达成这一目标,但是,显而易见,传动系统起着至关重要的作用。
在发动机中,针对燃烧,可以通过先进的污染控制和燃烧监测进行改进,确保燃烧完全、得当。更先进和精确的火花发电有助于提高发动机功率,并减少尾气排放。通过改变点火正时,在更高的转速下产生更大功率,例如冷起动时的尾气排放就会减少。当然,提高汽车的燃油经济性,进一步减少二氧化碳的排放量,可能会降低功率输出。但是,结合减摩、涡轮增压等新机制可以抵消功耗。此外,较高的压缩比(引入发动机的最大容积与燃烧室内部压缩的最小容积之间的比率)似乎有益于能源效率:比率为8:1到10:1甚至更大,如压燃式发动机。
现在的问题是,这些新的法规如何影响点火系统并由此影响点火IGBT?
点火系统中的燃烧是由火花塞间隙中的火花触发的。火花特性是由火花隙宽度、二次侧脉冲电压电平、火花持续时间和火花能量等参数决定的。这些参数取决于内燃机的工作条件和特性。例如,较稀燃料需要使用较宽的间隙,以便在火花隙之间存在更多的空气分子,从而在启动燃烧过程时确保适当的热传递。使用更宽的间隙需要更高的额定电压,以便引发火花隙中的电弧,因此点火IGBT和点火系统中使用的元件需要更高的额定电压。当需要更高的压缩比时,情况也是如此,压力的增加需要更高的电压电平以确保火花隙中的电弧放电。此外,较小的发动机(气缸较小而功率相同)和较高的加速能力(对于高性能汽车)要求在给定的时间范围内发生更多的燃烧,因此需要更高的点火IGBT换向周期。在这两种情况下,都会产生更高的工作温度[图2]。
与具有类似额定电流和额定功率的其他器件相比,Littelfuse的点火IGBT具有极低的集电极到发射极通态电压Vce(ON),这使得它们非常适用于较高转速额定值的新型点火系统,其中温度上升是值得关注的问题。较低Vce(ON)值可降低功耗,从而降低结温、缩小系统占用面积并减少损耗。例如,图3所示的测试台装置用于研究不同点火IGBT在不同换向频率下的热行为。
对照组中采用的点火IGBT包括Littelfuse NGD18N45(Vce(ON)典型值<1.5伏)、NGD8201A(Vce(ON)典型值<1.35伏)和一种非常流行的竞争性器件(Vce(ON)典型值<1.85伏),所有这些器件都采用同一个DPAK封装。所选的半导体器件具有可比性,因为它们具有类似的电气和物理芯片特性以及等效的电流和能量额定值。
如图4a所示,点火IGBT的换向频率从33Hz增加到200Hz形成更高的损耗,从而产生更高的温度。可以预见,温度的升高会影响点火IGBT的性能和器件的预期寿命。无论换向频率如何,Littelfuse器件的工作温度都低于竞争对手的器件,如[图4b,4c和4d]所示。请注意,Vce(ON)较低的好处随着换向频率的升高而变得愈发重要。结果表明,与竞争对手的器件相比,Littelfuse器件的工作温度在200 Hz时低约10°C和20°C(图4d)。而且,在 200Hz时所产生的NGD8201A温度与竞争对手器件在150Hz时所得到的温度大致相同[图4a]。因此,Littelfuse器件能够开发可实现更高转速的点火系统。
由于Littelfuse器件无需使用笨重的散热片或热管理系统,因此这一优势使我们的客户能够满足日益严格的汽车行业法规要求,同时保持较小占用面积。
更严格的尾气排放法规将挑战点火系统设计者继续提高燃烧效率作为一种桥梁技术,直到电动交通取得更广泛的成功;在某些情况下,甚至会导致新的燃烧概念——如最近投放市场的马自达SKYACTIV-X。其他潜在的新产品包括需要较新半导体技术的新型点火器,例如电晕和等离子点火器。
与此同时,对点火IGBT应用的要求越来越严格,工作条件也越来越苛刻,Littelfuse器件可以覆盖这些当前和近期的架构,为其丰富的点火IGBT产品组合带来电路保护方面的良好体验。毋庸置疑,充满挑战和激动人心的时刻即将到来,使得汽车制造商走向更为环保的交通出行。
尽管2016年全球新登记的电动汽车数量创下了约为75万辆的纪录,但电动汽车(EV)仍然仅占新增轻型汽车销量的1%,远低于先前的预测。预计在未来五年内电动汽车的份额将有所增加,但到2022年,仍然有大约88%的电动汽车完全由内燃机驱动,而另外10%则为既有电动机驱动也有内燃机驱动系统的混合动力汽车。
图1:全球汽车总量日益增长,但我们注意到电动汽车的增长率处于中等水平。
资料来源:LMC Automotive公司——全球发动机和变速器预测(包括LF估算)。
由于环境问题,有必要推行更为可持续的机动出行模式。电动汽车新闻充斥大众媒体。例如,整个汽车公司完全转型为生产电动汽车,并且各个国家承诺最终禁止销售内燃机汽车。所以,人们对电动汽车的关注是显而易见的。那么,如果是这样的话,现有的绝大多数客户为何购买仅由内燃机(ICE)驱动的汽车呢?
首先,电动汽车动力系统在可比功率和大小方面更高购置成本和拥有成本(包括维护和更换)所带来的经济影响。如果没有地方和国家行政机关的激励政策,电动汽车难以大规模进入市场。其次,需要大力改善能源基础设施的能力和便利性。此外,还必须考虑增加电网负荷,并且必须考虑需要保持稳定性,同时可靠地向不可预测、高度可变的负荷供电。
ICE汽车占了新车销量的绝大部分,市场趋势表明未来不会有重大变化。其后,为了减少汽车对环境的影响,我们必须把重点放在使天然气汽车“更环保”上面。
排放法规及其对点火系统的影响
在这方面,各国政府和国际机构要求汽车制造商采取更严格的法规减少汽车尾气排放:例如欧洲Euro 6,日本PNLT,美国Tier 1-3。而其他工业化国家正在迎头赶上:中国的“国六”和“京六”以及印度的Bharat 5和6,这些尾气排放标准遵循相当于Euro 5及以上标准。所制定的这些标准其目的都是为了大幅减少排放到环境中的污染物种类和数量,同时改善汽车行驶里程。在整车和子系统层面有实现这一目标的各种机制。虽然改进空气动力学、减少机械摩擦和增加先进的驱动辅助技术有助于推动市场达成这一目标,但是,显而易见,传动系统起着至关重要的作用。
在发动机中,针对燃烧,可以通过先进的污染控制和燃烧监测进行改进,确保燃烧完全、得当。更先进和精确的火花发电有助于提高发动机功率,并减少尾气排放。通过改变点火正时,在更高的转速下产生更大功率,例如冷起动时的尾气排放就会减少。当然,提高汽车的燃油经济性,进一步减少二氧化碳的排放量,可能会降低功率输出。但是,结合减摩、涡轮增压等新机制可以抵消功耗。此外,较高的压缩比(引入发动机的最大容积与燃烧室内部压缩的最小容积之间的比率)似乎有益于能源效率:比率为8:1到10:1甚至更大,如压燃式发动机。
现在的问题是,这些新的法规如何影响点火系统并由此影响点火IGBT?
点火系统中的燃烧是由火花塞间隙中的火花触发的。火花特性是由火花隙宽度、二次侧脉冲电压电平、火花持续时间和火花能量等参数决定的。这些参数取决于内燃机的工作条件和特性。例如,较稀燃料需要使用较宽的间隙,以便在火花隙之间存在更多的空气分子,从而在启动燃烧过程时确保适当的热传递。使用更宽的间隙需要更高的额定电压,以便引发火花隙中的电弧,因此点火IGBT和点火系统中使用的元件需要更高的额定电压。当需要更高的压缩比时,情况也是如此,压力的增加需要更高的电压电平以确保火花隙中的电弧放电。此外,较小的发动机(气缸较小而功率相同)和较高的加速能力(对于高性能汽车)要求在给定的时间范围内发生更多的燃烧,因此需要更高的点火IGBT换向周期。在这两种情况下,都会产生更高的工作温度[图2]。
图2:基于新的排放法规和一些Littelfuse精选器件的点火IGBT新要求。
与具有类似额定电流和额定功率的其他器件相比,Littelfuse的点火IGBT具有极低的集电极到发射极通态电压Vce(ON),这使得它们非常适用于较高转速额定值的新型点火系统,其中温度上升是值得关注的问题。较低Vce(ON)值可降低功耗,从而降低结温、缩小系统占用面积并减少损耗。例如,图3所示的测试台装置用于研究不同点火IGBT在不同换向频率下的热行为。
图3:点火系统实验装置。直流电源设置为12伏,方波发生器设置为5伏,频率根据执行的测试进行调整。点火IGBT的温度是在室温下并使用横河混合记录仪测定的。点火IGBT和相关电路安装在Littelfuse点火评估板上。使用博世火花塞和点火线圈0221504470。
对照组中采用的点火IGBT包括Littelfuse NGD18N45(Vce(ON)典型值<1.5伏)、NGD8201A(Vce(ON)典型值<1.35伏)和一种非常流行的竞争性器件(Vce(ON)典型值<1.85伏),所有这些器件都采用同一个DPAK封装。所选的半导体器件具有可比性,因为它们具有类似的电气和物理芯片特性以及等效的电流和能量额定值。
如图4a所示,点火IGBT的换向频率从33Hz增加到200Hz形成更高的损耗,从而产生更高的温度。可以预见,温度的升高会影响点火IGBT的性能和器件的预期寿命。无论换向频率如何,Littelfuse器件的工作温度都低于竞争对手的器件,如[图4b,4c和4d]所示。请注意,Vce(ON)较低的好处随着换向频率的升高而变得愈发重要。结果表明,与竞争对手的器件相比,Littelfuse器件的工作温度在200 Hz时低约10°C和20°C(图4d)。而且,在 200Hz时所产生的NGD8201A温度与竞争对手器件在150Hz时所得到的温度大致相同[图4a]。因此,Littelfuse器件能够开发可实现更高转速的点火系统。
由于Littelfuse器件无需使用笨重的散热片或热管理系统,因此这一优势使我们的客户能够满足日益严格的汽车行业法规要求,同时保持较小占用面积。
图4:温度与换向频率的关系。
更严格的尾气排放法规将挑战点火系统设计者继续提高燃烧效率作为一种桥梁技术,直到电动交通取得更广泛的成功;在某些情况下,甚至会导致新的燃烧概念——如最近投放市场的马自达SKYACTIV-X。其他潜在的新产品包括需要较新半导体技术的新型点火器,例如电晕和等离子点火器。
与此同时,对点火IGBT应用的要求越来越严格,工作条件也越来越苛刻,Littelfuse器件可以覆盖这些当前和近期的架构,为其丰富的点火IGBT产品组合带来电路保护方面的良好体验。毋庸置疑,充满挑战和激动人心的时刻即将到来,使得汽车制造商走向更为环保的交通出行。
撰文:何塞•帕迪拉,雨果•古兹曼博士,斯蒂芬•伊登哈特,Littelfuse公司
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