【導讀】汽車功能電子化的關鍵步驟之一是將內(nèi)燃機 (ICE) 與電動機結合起來，研發(fā)出輕度混合動力汽車 (MHEV)。作為邁向汽車功能全面電子化的重要里程碑，MHEV 成為了許多還未準備好過渡到全電動汽車的駕駛員的熱門選擇。
汽車功能電子化的關鍵步驟之一是將內(nèi)燃機 (ICE) 與電動機結合起來，研發(fā)出輕度混合動力汽車 (MHEV)。作為邁向汽車功能全面電子化的重要里程碑，MHEV 成為了許多還未準備好過渡到全電動汽車的駕駛員的熱門選擇。由于 12V 系統(tǒng)已接近極限，汽車行業(yè)現(xiàn)在正遷移至 48V 系統(tǒng)。這種轉變旨在增加可用功率，減小線束和連接器尺寸，并支持額外的電氣設備和更高的功耗。本文為48V起動發(fā)電機系統(tǒng)方案指南第一部分，將介紹系統(tǒng)用途、市場趨勢、系統(tǒng)描述。
系統(tǒng)用途
MHEV 的混合動力方案基于起動發(fā)電機，而起動發(fā)電機由 48V 鋰離子電池供電。無論是皮帶起動發(fā)電機 (BSG) 還是集成起動發(fā)電機 (ISG)，都發(fā)揮著雙重作用，即取代傳統(tǒng)起動機和交流發(fā)電機模塊，同時增強 ICE 功能。
通過改動現(xiàn)有的汽車設計，汽車制造商可以輕松實現(xiàn) 48V 輕度混合動力技術，并將其作為新車型的標配功能，滿足全球客戶的需求。MHEV 是一種更經(jīng)濟的綠色方案，在環(huán)境責任和經(jīng)濟實用性之間取得了平衡，因此成為客戶的理想選擇。
在減少燃油車排放和提高燃油效率方面，起動發(fā)電機一直是 48V 系統(tǒng)的重點關注對象。此外，還有其他減排技術，包括電動渦輪增壓器、廢氣再循環(huán) (EGR) 泵和電加熱催化劑。電壓越高，耗電組件的工作效率就越高。
市場趨勢
近年來，48V 配件已經(jīng)開始進入純電動汽車 (BEV) 應用市場。電壓更高的配件可提供與 BEV 配件相同的優(yōu)勢，而 800V 的系統(tǒng)在 BEV 中的應用尚不成熟。隨著汽車逐漸采用 48V 電源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的 12V 配件將遷移至 48V 總線，這一轉變將從系統(tǒng)中的最高負載開始。
在全球范圍內(nèi)，MHEV 市場一直在穩(wěn)步增長，但增長速度不如 BEV 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 市場。這表明，消費者更喜歡能夠從電網(wǎng)獲取電力的汽車。然而，由于 MHEV 更便宜、更方便且不需要充電站，所以在全球電動汽車市場中仍然占有很大的份額。
系統(tǒng)描述
輕度混合動力電動汽車 (MHEV) 中的起動發(fā)電機
MHEV 是一種將內(nèi)燃機 (ICE) 與 5kW 至 25kW 電動機相結合的汽車，這種組合也稱為皮帶起動發(fā)電機 (BSG) 或集成起動發(fā)電機 (ISG)。BSG/ISG 有效地結合了起動電機和交流發(fā)電機的功能，創(chuàng)造出 MHEV 混合動力汽車。
將 BSG/ISG 應用于 ICE 汽車可實現(xiàn)額外的功能，例如：起停、滑行/制動期間的能量回收、從 ICE 產(chǎn)生能量，甚至根據(jù)車輛的不同情況實現(xiàn)電力驅動（或助力）。這些功能運行起來非常平順，駕駛員甚至可能不會注意到所駕駛的 MHEV 與傳統(tǒng) ICE 汽車有何不同，除非在使用過程中 ICE 關斷。
功能和性能取決于 BSG/ISG 在動力總成中的位置。圖 1 顯示了起動發(fā)電機在 MHEV 動力總成中的潛在放置位置。下頁的表 1 詳細列出了每個位置的技術功能。隨著技術功能的增多，集成成本和復雜性也在增加。P0 - P4 是目前指定的位置，對系統(tǒng)而言，每個位置都有不同程度的功能和設計挑戰(zhàn)。位置還決定了所用的設備是 BSG（P0，可能還有 P2）還是 ISG（P1，可能還有 P2、P3 和 P4）。
圖 1：輕度混合動力起動發(fā)電機的拓撲及其在車輛動力總成中的位置。
P0 – 皮帶傳動起動發(fā)電機 (BSG)
P1 – 曲軸起動發(fā)電機
P2 – 變速箱輸入軸 → BSG/ISG
P3 – 變速箱輸出軸 → ISG
P4 – 后橋或差速器上的驅動裝置 → ISG
如果安裝在 P0 或 P1 處，則設備的功能僅限于起停和能量回收。雖然 P0 和 P1 位置是更容易集成此類設備的地方，但這里的減排效益最低，因為 ICE 不運轉的話就沒有能量回收。受皮帶打滑和最大作用扭矩的影響，皮帶傳動系統(tǒng)的功率將受到限制。相比之下，采用齒輪嚙合的直接傳動集成或直接連接到曲軸可以實現(xiàn)更高的功率輸出。
在 P2、P3 和 P4 位置中，ICE 可以與傳動系統(tǒng)斷開，從而在低速條件下實現(xiàn)電力驅動，并在 ICE 關斷的滑行或制動期間產(chǎn)生再生能量。
能量回收功能具有真正的可再生性，因為起動發(fā)電機與傳動系統(tǒng)相連，即使在 ICE 關斷的情況下也能繼續(xù)運轉。位置 P3 和 P4 可實現(xiàn)最大能量回收。在前輪驅動汽車的 P4 位置安裝 ISG，可以使用適當大小的鋰離子電池實現(xiàn)四輪驅動功能。
輕度混合動力電動汽車（MHEV)中的起動發(fā)電機
BSG/ISG 設備的安裝位置和耦合機構將影響峰值輸出功率（從 5kW 到 25kW）。如果安裝在 P0 或 P1 處，則功能僅限于起停和能量回收。表 1 顯示了起動發(fā)電機在不同位置的概況及其增加的功能。
位置 P0 的峰值功率受皮帶聯(lián)動裝置的限制。為了驅動起動發(fā)電機運轉，需要 ICE 處于開啟狀態(tài)以實現(xiàn)能量回收或發(fā)電。
位置 P1 直接連接至發(fā)動機曲軸，且不會出現(xiàn)與皮帶相關的打滑現(xiàn)象，因此與 P0 相比，峰值輸出功率和扭矩更高。
當 ISG 位于傳動系統(tǒng)中更靠后的位置 (P2-P4) 時，在 ISG 用作發(fā)電機的滑行或制動期間，可以進行能量回收。即使 ICE 關斷，車輛的運動也會帶動后橋或傳動軸繼續(xù)轉動。
由于 ISG 現(xiàn)在獨立于 ICE，因此可以采用更激進的 ICE 關斷算法，從而進一步減少二氧化碳排放。在這些位置上可以實現(xiàn)電力驅動，這意味著 ISG 在發(fā)揮電機功能的同時，還能驅動車輛移動。這在走走停停的交通狀況下非常有用，而且也有助于從靜止狀態(tài)啟動車輛，然后在需要提高車速時再啟動 ICE。
表 1：基于 MHEV 內(nèi) P0-P4 位置的功能變化。
DC-DC 轉換器
MHEV 通常有兩個電池：“傳統(tǒng)”的 12V 鉛酸電池和 48V 鋰離子 (Li-Ion) 電池。當處于能量回收或發(fā)電模式時，BSG/ISG 為 48V 電池組充電，DC-DC 轉換器將 12V 和 48V 電網(wǎng)連接在一起。
12V 電池為許多“傳統(tǒng)”系統(tǒng)供電，例如信息娛樂系統(tǒng)、車門模塊、發(fā)動機控制和安全系統(tǒng)，而 48V 電池則為更高負載供電，例如電動轉向、電動渦輪增壓器、泵、懸架和暖通空調(diào)。48V 電池還為 BSG/ISG 供電，以啟動車輛或提供電力助力/驅動。
DC-DC 轉換器通常為雙向設計，功率從 1 kW 到 3 kW 不等（降壓模式為 3kW，升壓模式為 1kW）。最常見的拓撲結構是非隔離雙向同步降壓轉換器。
DC-DC 轉換器雖然設計為用于 12V 和 48V 標稱電池電壓，但必須具備在標稱電壓范圍外運行的能力，從而為高于和低于標稱電壓的工作電壓留出空間。電壓會因電池充電狀態(tài)和其他因素而發(fā)生變化。
ISO 21780:2020 規(guī)定的 48V 系統(tǒng)電壓水平
標準與合規(guī)
國際功能安全標準 ISO 26262 是公路車輛電氣和電子系統(tǒng)開發(fā)必須遵守的標準。該標準的主要目標是最大限度地降低車輛系統(tǒng)故障帶來的安全隱患，涵蓋軟件故障、傳感器失靈和硬件故障等潛在危險。
專用于電動汽車 48V 系統(tǒng)、組件及其測試的標準已經(jīng)出臺，最早使用的是 LV148 標準，后來改用德國 VDA320 標準。目前是用 ISO 21780:2020 標準取代了 VDA320。電動汽車安全和測試方面的其他標準包括 ISO 6469、ISO 21498。
48V 電網(wǎng)上的組件冗余對于確保電氣系統(tǒng)的可靠性和適應性至關重要。這將成為 48V 系統(tǒng)開發(fā)和普及的推動因素之一。如果單個組件發(fā)生故障，冗余元件可作為備用，防止整個系統(tǒng)中斷。這對于安全攸關的系統(tǒng)（例如控制制動、轉向和安全氣囊的系統(tǒng)）尤其重要。
安森美 (onsemi)作為一家領先的汽車產(chǎn)品供應商，具有悠久的歷史，深知降低成本和滿足日益提高的性能與安全需求所面臨的挑戰(zhàn)。安森美擁有深厚的專業(yè)知識并且嚴格執(zhí)行 ISO26262 標準，這是安森美向客戶提供經(jīng)濟有效的方案而又不損害安全性的關鍵。
文章來源：安森美
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