什么是皮帶傳動一體化起動/發(fā)電機或集成式一體化啟動/發(fā)電電機？

作者：安森美汽車系統(tǒng)工程部技術(shù)營銷工程師Marc Bracken

一個多世紀以來，內(nèi)燃機(ICE)一直是全球汽車工業(yè)的推進主力。汽車電氣化的創(chuàng)新正在將汽車改進為擁有更先進技術(shù)的交通解決方案。然而，并不是所有的EV都是一樣的，顯而易見目前的幾種混動的動力總成和純電動的動力總成是不同的。

皮帶傳動啟動電機(BSG)或啟動發(fā)電一體化電機(ISG)是EV發(fā)展里程當中的一個解決方案。BSG/ISG與ICE的組合創(chuàng)造了一種輕度混合動力汽車(MHEV)，這種混合動力解決方案為電子模塊和電動機創(chuàng)造了新的機會。

BSG/ISG可替代起動器和交流發(fā)電機功能模塊，同時增強了ICE功能。此架構(gòu)有兩個電池，一個是傳統(tǒng)的12 V電池，另一個是48 V鋰離子電池。48 V鋰離子電池可提供更高的功率負載，如為BSG/ISG的電動機供電的逆變器。MHEV保留了12 V電池為車輛中傳統(tǒng)的電子控制模塊供電，并在需要時為48 V系統(tǒng)提供備用低壓電子電源。MHEV為汽車原始設(shè)備制造商(OEM)提供了由傳統(tǒng)內(nèi)燃機推進至純電動車(BEV)之間的的一個過渡。

隨著更嚴格的二氧化碳排放法規(guī)推行，意味著燃油車必須全面減少車輛的二氧化碳排放量。MHEV實施的門檻相對較低，OEM只需在現(xiàn)有的車輛平臺進行一定程度的改造就可以為現(xiàn)有車型提供MHEV車型。MHEV可降低內(nèi)燃機耗油量，從而降低車輛的二氧化碳平均排放量。BSG/ISG單元支持啟停功能、滑行或制動時進行能源回收、ICE運行時進行能源產(chǎn)生，以及在系統(tǒng)實施時進行電力驅(qū)動或增壓。當處于能源回收或能源產(chǎn)生模式時，BSG/ISG可作為發(fā)電機運行，向48 V電池組提供反向電流。反過來，DCDC模塊將48 V轉(zhuǎn)換為12 V，為傳統(tǒng) 的12 V電池充電。

MHEV是進入EV領(lǐng)域的“軟入口”，因為在許多情況下，車主在性能或功能上與傳統(tǒng)ICE車輛沒有任何感知上的差別。與某些BEV車型相比，MHEV不需要任何形式的電網(wǎng)充電，可快速加燃料，也不會讓駕駛者在長途旅行期間產(chǎn)生里程焦慮。事實上，只有當ICE在特定駕駛場景下關(guān)斷時，駕駛員或乘客才可能注意到MHEV的功能差異。發(fā)動機溫度、最后一次熄火間隔時間、電池電壓電平和充電狀態(tài)、電氣負載和可實現(xiàn)的最低車速都是由算法監(jiān)控的一些特定工況，用以確定ICE或BSG/ISG的使用情況。而這些算法決策背后的復雜性并不是本文的主題。

制造商可在車輛中有不同位置集成BSG/ISG。P0 - P4是目前指定的位置，每個位置都為系統(tǒng)提供不同程度的功能和設(shè)計挑戰(zhàn)。

圖1：BSG/ISG在車輛動力總成中的位置

在這些不同的位置，BSG/ISG的功率輸出、與動力總成的耦合方法以及相關(guān)功能均不相同。如之前所述，該裝置的功能包括啟停、低速時的電力驅(qū)動、ICE的能源產(chǎn)生和能源回收。當ICE關(guān)斷時，可以在滑行或制動期間進行能源回收，ICE運行時則進行能源產(chǎn)生(發(fā)電機功能)，以便為48 V鋰離子電池提供電源?？焖贋g覽這些位置，您就會發(fā)現(xiàn)當發(fā)動機關(guān)斷時，P0或P1位置是無法進行能源回收的。然而，當ICE關(guān)斷時，P2 - P4位置則可以在滑行或制動期間回收能量，因為動力傳動系統(tǒng)的機械運動將帶動電動機運轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)發(fā)電功能。以下圖表列出了基于BSG/ISG在車輛中P0 - P4位置的功能變化。

表1：BSG/ISG在不同位置的功能表

BSG/ISG單元的峰值輸出功率從5 kW到25 kW，安裝位置和耦合機制將影響該額定值。由于皮帶打滑和施加的最大扭矩，皮帶傳動系統(tǒng)的功率將受到限制，而使用齒輪嚙合或直接連接至曲軸的直接傳動系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的功率輸出。P0 - P4的安裝位置不僅會影響峰值功率，還會影響系統(tǒng)級效率。

位置P0的峰值功率受皮帶聯(lián)動裝置的限制。能源回收或產(chǎn)生要求起動ICE以轉(zhuǎn)動BSG/ISG單元。而BSG/ISG單元的旋轉(zhuǎn)與ICE的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)。因此，如果ICE每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)由于滑行或制動而下降，BSG為48 V電池生成的電力也會降低。這種受限的能源回收功能意味著發(fā)動機關(guān)斷算法將不會那么積極，也不會像其他選項那樣節(jié)省燃油。

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(guān)的打滑現(xiàn)象。與位置P0相比，P1可以實現(xiàn)更高的峰值輸出功率和扭矩。位置P1的其余功能與P0相同。

位置P2能夠與動力總成進行皮帶或齒輪嚙合連接，位于ICE和變速器輸入之間。離合器系統(tǒng)可以嚙合或分離ICE與傳動系統(tǒng)，在這個位置，傳動系統(tǒng)可以與BSG/ISG實現(xiàn)更高的扭矩輸出和更高的速度/扭矩比。離合器還允許BSG/ISG在ICE關(guān)斷期間低速提供純電動驅(qū)動。能源回收功能具有真正的可再生性，因為單元與傳動系統(tǒng)相連，即使在ICE關(guān)斷的情況下也能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種改進的能源回收功能支持更積極的發(fā)動機關(guān)斷算法，從而可以比位置P0或P1節(jié)省更多的燃料。

位置P3是變速器輸出軸上的齒輪嚙合聯(lián)動裝置。由于與位置P0-P2相關(guān), ICE和變速箱的損耗都非常小。離合器可以讓ICE與傳動系統(tǒng)斷開，與位置P2類似，從而在低速條件下實現(xiàn)電動驅(qū)動，并在滑行或ICE關(guān)斷期間產(chǎn)生再生能量。

位置P4是后橋或差速器上的齒輪嚙合聯(lián)動裝置，具有位置P3的所有功能。這個位置和位置P3可以實現(xiàn)最大限度的能源回收。在前輪驅(qū)動(FWD)汽車的這個位置安裝一個ISG，可以使用適當大小的鋰離子電池實現(xiàn)四輪驅(qū)動(AWD)功能。

汽車制造商可以在位置P0 - P4裝置多個BSG/ISG單元。這種組合可將車輛轉(zhuǎn)換為MHEV之前，實現(xiàn)更多的功能，或重復使用車輛以前的平臺。最大限度地重復利用可降低過渡到MHEV拓撲結(jié)構(gòu)的成本影響，對OEM和客戶都有利。

如ICE在停車時關(guān)斷，或在滑行或制動期間關(guān)斷ICE，終端用戶將注意到MHEV的細微差別。他們會發(fā)現(xiàn)，如果車輛在位置P2 - P4上安裝了BSG/ISG單元，ICE 可能不會立即重啟，因為電動驅(qū)動將在完全停止狀態(tài)下行駛車輛。MHEV并不是BEV那樣的零排放車輛(ZEV)，但可以實現(xiàn)二氧化碳減排，幅度為4%至10%(Yole Développement，2020)，同時OEM可以利用車輛電氣化技術(shù)升級其車隊。無論是小小的進步和巨大的飛躍都將產(chǎn)生累積效應，以實現(xiàn)更清潔的環(huán)境。在BEV能夠滿足所有用例需求之前，MHEV將有助于減少交通運輸對環(huán)境的影響，同時滿足消費者對性能的期望。

這些多功能BSG/ISG單元為MHEV注入“混合動力”，占每年所有EV產(chǎn)量的三分之一，預其這這一比例至少保持到2026年。在復合年增長率(CAGR)為19.8%的情況下，這些系統(tǒng)的數(shù)量將大幅增長，同時加速EV車隊轉(zhuǎn)型(Strategy Analytics，2020)。

圖 2：2026年電動汽車的電氣化分類

設(shè)計BSG/ISG單元時需要考慮許多工程因素。模塊設(shè)計受峰值和恒定輸出功率、位置(P0 - P4)、冷卻方式和空間限制等因素的影響。對于逆變器中使用的電子控制和動力電子設(shè)備，最大功率密度、高能效和長期可靠性的要求都至關(guān)重要。

安森美(onsemi)提供面向汽車BGS/ISG設(shè)計的可擴展技術(shù)。該組合包括中壓MOSFET和汽車電源模塊、柵極驅(qū)動器、穩(wěn)壓電源和車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)解決方案。與安森美合作的客戶可以實現(xiàn)高性能解決方案，并為其BSG和ISG的應用開發(fā)提供完整的功率方案。

參考文獻

Yole Développement，(2020年)，2020年面向電動汽車和混合動力電動車的動力電子設(shè)備。

Strategic Analytics，(2020年10月)，2018至2027年汽車傳感器需求。