【導(dǎo)讀】汽車功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出輕度混合動(dòng)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(zhǔn)備好過(guò)渡到全電動(dòng)汽車的駕駛員的熱門選擇。
汽車功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出輕度混合動(dòng)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(zhǔn)備好過(guò)渡到全電動(dòng)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(zhuǎn)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(shè)備和更高的功耗。本文為48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案指南第一部分，將介紹系統(tǒng)用途、市場(chǎng)趨勢(shì)、系統(tǒng)描述。
系統(tǒng)用途
MHEV 的混合動(dòng)力方案基于起動(dòng)發(fā)電機(jī)，而起動(dòng)發(fā)電機(jī)由 48V 鋰離子電池供電。無(wú)論是皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 還是集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)，都發(fā)揮著雙重作用，即取代傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)模塊，同時(shí)增強(qiáng) ICE 功能。
通過(guò)改動(dòng)現(xiàn)有的汽車設(shè)計(jì)，汽車制造商可以輕松實(shí)現(xiàn) 48V 輕度混合動(dòng)力技術(shù)，并將其作為新車型的標(biāo)配功能，滿足全球客戶的需求。MHEV 是一種更經(jīng)濟(jì)的綠色方案，在環(huán)境責(zé)任和經(jīng)濟(jì)實(shí)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(dòng)發(fā)電機(jī)一直是 48V 系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。此外，還有其他減排技術(shù)，包括電動(dòng)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(chǎng)趨勢(shì)
近年來(lái)，48V 配件已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入純電動(dòng)汽車 (BEV) 應(yīng)用市場(chǎng)。電壓更高的配件可提供與 BEV 配件相同的優(yōu)勢(shì)，而 800V 的系統(tǒng)在 BEV 中的應(yīng)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(zhuǎn)變將從系統(tǒng)中的最高負(fù)載開(kāi)始。
在全球范圍內(nèi)，MHEV 市場(chǎng)一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度不如 BEV 和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 市場(chǎng)。這表明，消費(fèi)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(dòng)汽車市場(chǎng)中仍然占有很大的份額。
系統(tǒng)描述
輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (MHEV) 中的起動(dòng)發(fā)電機(jī)
MHEV 是一種將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與 5kW 至 25kW 電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的汽車，這種組合也稱為皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 或集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)。BSG/ISG 有效地結(jié)合了起動(dòng)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的功能，創(chuàng)造出 MHEV 混合動(dòng)力汽車。
將 BSG/ISG 應(yīng)用于 ICE 汽車可實(shí)現(xiàn)額外的功能，例如：起停、滑行/制動(dòng)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(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)（或助力）。這些功能運(yùn)行起來(lái)非常平順，駕駛員甚至可能不會(huì)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(guò)程中 ICE 關(guān)斷。
功能和性能取決于 BSG/ISG 在動(dòng)力總成中的位置。圖 1 顯示了起動(dòng)發(fā)電機(jī)在 MHEV 動(dòng)力總成中的潛在放置位置。下頁(yè)的表 1 詳細(xì)列出了每個(gè)位置的技術(shù)功能。隨著技術(shù)功能的增多，集成成本和復(fù)雜性也在增加。P0 - P4 是目前指定的位置，對(duì)系統(tǒng)而言，每個(gè)位置都有不同程度的功能和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。位置還決定了所用的設(shè)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(dòng)力起動(dòng)發(fā)電機(jī)的拓?fù)浼捌湓谲囕v動(dòng)力總成中的位置。
P0 – 皮帶傳動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG)
P1 – 曲軸起動(dòng)發(fā)電機(jī)
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(qū)動(dòng)裝置 → ISG
如果安裝在 P0 或 P1 處，則設(shè)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(shè)備的地方，但這里的減排效益最低，因?yàn)?ICE 不運(yùn)轉(zhuǎn)的話就沒(méi)有能量回收。受皮帶打滑和最大作用扭矩的影響，皮帶傳動(dòng)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(dòng)集成或直接連接到曲軸可以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。
在 P2、P3 和 P4 位置中，ICE 可以與傳動(dòng)系統(tǒng)斷開(kāi)，從而在低速條件下實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)，并在 ICE 關(guān)斷的滑行或制動(dòng)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?yàn)槠饎?dòng)發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，即使在 ICE 關(guān)斷的情況下也能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置 P3 和 P4 可實(shí)現(xiàn)最大能量回收。在前輪驅(qū)動(dòng)汽車的 P4 位置安裝 ISG，可以使用適當(dāng)大小的鋰離子電池實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)功能。
輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（MHEV)中的起動(dòng)發(fā)電機(jī)
BSG/ISG 設(shè)備的安裝位置和耦合機(jī)構(gòu)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(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)裝置的限制。為了驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要 ICE 處于開(kāi)啟狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)能量回收或發(fā)電。
位置 P1 直接連接至發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，且不會(huì)出現(xiàn)與皮帶相關(guān)的打滑現(xiàn)象，因此與 P0 相比，峰值輸出功率和扭矩更高。
當(dāng) ISG 位于傳動(dòng)系統(tǒng)中更靠后的位置 (P2-P4) 時(shí)，在 ISG 用作發(fā)電機(jī)的滑行或制動(dòng)期間，可以進(jìn)行能量回收。即使 ICE 關(guān)斷，車輛的運(yùn)動(dòng)也會(huì)帶動(dòng)后橋或傳動(dòng)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于 ISG 現(xiàn)在獨(dú)立于 ICE，因此可以采用更激進(jìn)的 ICE 關(guān)斷算法，從而進(jìn)一步減少二氧化碳排放。在這些位置上可以實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)，這意味著 ISG 在發(fā)揮電機(jī)功能的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)車輛移動(dòng)。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?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)車輛，然后在需要提高車速時(shí)再啟動(dòng) ICE。
表 1：基于 MHEV 內(nèi) P0-P4 位置的功能變化。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器
MHEV 通常有兩個(gè)電池：“傳統(tǒng)”的 12V 鉛酸電池和 48V 鋰離子 (Li-Ion) 電池。當(dāng)處于能量回收或發(fā)電模式時(shí)，BSG/ISG 為 48V 電池組充電，DC-DC 轉(zhuǎn)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(lè)系統(tǒng)、車門模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和安全系統(tǒng)，而 48V 電池則為更高負(fù)載供電，例如電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)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(dòng)車輛或提供電力助力/驅(qū)動(dòng)。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常為雙向設(shè)計(jì)，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(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非隔離雙向同步降壓轉(zhuǎn)換器。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器雖然設(shè)計(jì)為用于 12V 和 48V 標(biāo)稱電池電壓，但必須具備在標(biāo)稱電壓范圍外運(yùn)行的能力，從而為高于和低于標(biāo)稱電壓的工作電壓留出空間。電壓會(huì)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(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)
國(guó)際功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262 是公路車輛電氣和電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是最大限度地降低車輛系統(tǒng)故障帶來(lái)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(xiǎn)。
專用于電動(dòng)汽車 48V 系統(tǒng)、組件及其測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)，最早使用的是 LV148 標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)改用德國(guó) VDA320 標(biāo)準(zhǔn)。目前是用 ISO 21780:2020 標(biāo)準(zhǔn)取代了 VDA320。電動(dòng)汽車安全和測(cè)試方面的其他標(biāo)準(zhǔn)包括 ISO 6469、ISO 21498。
48V 電網(wǎng)上的組件冗余對(duì)于確保電氣系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性至關(guān)重要。這將成為 48V 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和普及的推動(dòng)因素之一。如果單個(gè)組件發(fā)生故障，冗余元件可作為備用，防止整個(gè)系統(tǒng)中斷。這對(duì)于安全攸關(guān)的系統(tǒng)（例如控制制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和安全氣囊的系統(tǒng)）尤其重要。
安森美 (onsemi)作為一家領(lǐng)先的汽車產(chǎn)品供應(yīng)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(shí)并且嚴(yán)格執(zhí)行 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)，這是安森美向客戶提供經(jīng)濟(jì)有效的方案而又不損害安全性的關(guān)鍵。
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