先進的感測器技術加速推動HEV/EV普及

最新 03-08

目前歐盟（EU）已建立嚴格的立法政策控制有害氣體排放，從而改善空氣質量，避免對環境造成不可逆傷害，為人類後代營造更加清潔的生存環境。隨著全球石油儲備不斷減少，歐盟還將努力改善能源結構，減少對石油的依賴。

汽車行業為適應上述發展趨勢，也將逐漸改變單一的產品模式 – 從內燃機汽車逐漸向混合動力汽車和電動汽車（HEV/EV）過渡。目前推動HEV全面普及仍面臨著許多障礙。本文將介紹如何克服這些障礙。

關於有效降低碳排放量的問題已然解決，即改進空氣管理系統和熱管理系統。歐盟預計在2015年實現的車輛平均排放量目標也因此能夠於2013年提前實現。某種程度上發動機尺寸能夠有所降低也得益於此。下一個重要發展方向是通過推進電氣化和混合動力化，減少二氧化碳(CO2)的排放量。這樣可以降低發動機負載（向按需系統轉變），優化內燃機效率。

汽車電氣化已呈現出不可逆轉的趨勢。電氣化已成為許多現代汽車元件設計的基礎。例如，將液壓轉向裝置更換為電動助力轉向裝置已經顯著降低CO2排放量（在某些車型中最高可減少5%）。而HEV能夠進一步降低CO2排放量。

十年前某些汽車製造商仍然質疑HEV的可行性，而如今HEV的商業價值正在被全球市場所認同。汽車市場中HEV的重要性正與日俱增。行業分析公司Freedonia預測，從現在到2018年，混合動力汽車的全球銷售量將擴大一倍以上。目前日本在HEV領域處於主導地位（汽車年銷量超過20%）。緊隨其後的是北美洲和歐洲（雖然北美洲和歐洲區域的HEV銷售量遠不及日本）。

現有的HEV有很多類型，包括：微混合動力汽車、輕度混合動力汽車、全混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及電動車。值得注意的是，微混合動力汽車還不能算作真正意義上的HEV，這種汽車僅增強了起動機並加裝了交流發電機。並沒有真正改變傳動系統。

提高能效

汽車製造商正在考慮以不同的方式縮小發動機尺寸，以達到減排目的。渦輪增壓器的主要功能是管理氣體（數據結果顯示CO2/km有所下降），長期以來渦輪增壓器對優化傳統內燃機工作效率發揮著重要作用。其原理是通過高溫壓縮廢氣驅動渦輪次級「冷卻側」迴路，壓縮進氣口氣體進行二次燃燒循環。同時，廢氣混合物也可以進入廢氣再循環（EGR）系統中的次級進氣口，從而使尾氣達到最嚴格的排放標準——例如氮氧化合物（NOx）相關標準，過濾器氣體標準。

渦輪增壓器有其固有的缺點，即響應滯後。渦輪增壓器只有在達到某個RPM閾值後才能啟動。即便經過優化，例如可變截面渦輪增壓器（VGT）通過保持最優長寬比調整RPM，也依舊無法避免滯後情況的發生。事實上只有消除這種問題並且使渦輪增壓器在任意RPM連續運轉才能獲得理想的工作效果。而目前克服這種技術局限性的一種方式就是使用電動增壓器。由廢氣產生的壓力不足以用於壓縮進氣口氣體，但如果安裝電動機可以有效彌補這一「壓力差」，從而避免滯後情況的發生。

普遍認為，所有汽車增壓器都應至少具備啟動/停止功能。但儘管如此，啟動/停止功能並未完全普及，而針對啟動/停止功能的強制規定也尚處於立法階段，預計於2020年全面推行。此時亟需進一步推動混合動力化/電氣化發展。

全混合動力汽車

全混合動力系統通常採用40kW至70kW電動機，與汽車內燃機聯動。全混合動力汽車與同類內燃機汽車相比，最突出的優勢是CO2減排量幾乎達到了35%。大多數情況下，當汽車發動機運轉時或達到某個轉速以上時，汽車內置電動機會始終保持運轉。但由於大功率電動機必須在高壓下才能運轉，因此這種內置電動機的汽車需要配置的電池組尺寸大、質量佳、成本高。插電式混合動力汽車需要加裝車載充電器電子器件才能滿足長途駕駛時的續航要求。

輕度混合動力汽車

與全混合動力汽車、插電式混合動力汽車和電動汽車並列的是一款全新的HEV。這種HEV被稱為輕度混合動力汽車。輕度混合動力系統與啟停系統或微混合動力系統相比，功能性更好。與HEV相比，這類汽車在很多方面與傳統的內燃機汽車有更多的相同之處。

輕度混合動力汽車和全混合動力汽車的區別在於，輕度混合動力汽車電動機的功率範圍為5kW至20kW，無法推動汽車行進。而負責推動汽車行駛的是汽車內燃機，電動機只起輔助作用即扭矩輔助。這種配置方式可以將燃油效率提高10-15%，相比之下全混合動力系統的燃油效率可輕鬆達到該值的兩倍。

對於輕度混合動力汽車而言，汽車製造商仍需要儘可能縮小發動機尺寸，降低尾氣排放量。其優勢是減少了線束重量、降低了線束成本，且無需遵守高電壓電池相關的高隔離度標準。同時還可以保證車輛擁有極佳的性能，且不會對駕駛體驗造成影響。由於輕度混合動力系統電壓低於全混合動力系統電源，因此輕度混合動力系統上需要加裝升壓器才能保證其正常實現動能回收功能。

一般在汽車加速時，綜合式傳動帶起動機發電機（iBSG）系統、綜合式電動機輔助（IMA）系統或傳動帶輔助起動機（BAS）都可以使汽車瞬間加速。動能回收系統（KERS）通過對電池進行再充電和/或對電氣負載充電從而進一步提高總體效率。

與全混合動力系統相比，輕度混合動力系統在燃油效率方面可能優勢並不明顯，但其能夠有效增強傳統內燃機汽車的性能，較之全混合動力系統具有更高的性價比。對於指定車型而言安裝全混合動力系統需要額外花費3000至4000歐元，而安裝輕度混合動力系統只需要花費1000歐元左右 - 因為它不需要普通電池所需的電量和功率。據此，IHS Automotive預測截至2020年，輕度混合動力汽車佔HEV總產量比重將達到15%左右。

目前來看在西歐地區輕度混合動力汽車（包括微混合動力汽車）最受用戶青睞。很有可能在今後的幾年裡，這種特殊的HEV汽車在歐洲市場的銷量將達到全球銷售量的一半左右。如果48V系統能夠達到輕度混合動力系統逆變器指定的功率值，那麼毫無疑問其電流一定會超出200A的基準值。

逆變器硬體由於成本較高，在一定程度上也阻礙了HEV的普及，為此政府通常會通過補貼或其他獎勵計劃（例如在日本混合動力汽車不用繳納公路稅；在上海可以免費辦理牌照，或可摺合成數千美元）吸引更多的買家購買。使用低功耗、小型逆變器可以大幅度降低HEV生產成本。雖然這種方案能夠促使HEV降低價格、減輕整體重量，這一點本應對HEV車型取得商業成功起到促進作用 - ，實際上仍存在著其他問題：逆變器的功率密度更高，因此需要研發更為先進的電流感測技術。

為了應對能夠描述當前和未來HEV設計的較大電流，Melexis在其可編程電流感測器IC IMC-Hall系列中加入了一款新設備 -MLX91208CAV。該產品目前已獲得AEC-Q100認證，其主要應用於高端應用領域，它的出現對公司廣泛使用的低場強（CAL）和高場強（CAH）設備起到了補充作用。它能夠處理1000A以上的電流。這種電流感測設備採用了標準SOIC8表面貼裝方式，因而更加節省空間。這種產品有效滿足了現今HEV市場對逆變器設計小型化的需求。

集磁片

MLX91208系列感測器採用的專利集磁片（IMC）能夠精確測量電流，且不需要外裝任何大尺寸鐵磁芯。因此採用這種產品的感測方案尺寸更加緊湊。此外，IMC還採用了創新型結構，其磁感應強度方向平行於感測器IC表面和中央散射場 - 磁感應強度與施加電流成正比例——使用效率更高的水平霍爾板檢測磁感應強度。

本質上，IMC是一種沉積在後加工處理晶圓表面上的鐵磁性薄膜合金。IMC很多優點均源於這種製造工藝 - 其最突出的優點是可產生磁增益，從而提高了信噪比（與垂直霍爾板進行對比時效果尤為明顯）。後加工處理晶圓（WPP）採用了高質量合金，從而最大程度降低了某些負面作用（例如遲滯現象）：在WPP中加裝聚磁器比使用同級材料製成的大尺寸外部聚磁器成本更低。

此外，使用集成式聚磁器時不需要執行複雜的裝配程序。為避免臨近並聯電流導體相互干擾，IMC霍爾感測器配置了隔磁套。其內置物比磁芯性能更好 - 磁芯需要安裝在電流感測裝置內（尺寸和質量更大，系統總成本大幅度增加）。此外，U形隔磁套可以垂直疊放，從而極大地簡化了裝配操作。