汽車電氣化怎么走？逐步過渡還是一步到位？

時(shí)下普遍使用的P0、P2結(jié)構(gòu)比較簡單，并且有助于控制成本，整體效果也非常出色，尤其P2是混動(dòng)汽車運(yùn)用最廣泛的一種模式。據(jù)了解，TI此次發(fā)布的這個(gè)方案適用于48V P0和P2電機(jī)，其高度集成的特性有助于設(shè)計(jì)工程師構(gòu)建小型化的48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢是電氣化，但這個(gè)過程怎么走卻存在不小爭議，一種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該從混動(dòng)做起，特別是48V輕混（MHEV），然后逐步過渡。那么疑問就來了：

為什么選擇48V MHEV系統(tǒng)？而不是24V、36V或60V？

48V MHEV肯定是一種過渡，市場能有多大？主機(jī)廠有必要投入資金和人力去研發(fā)嗎？

很多主機(jī)廠都加入了48V MHEV陣營，是否意味著它比全電動(dòng)汽車（BEV）的市場更為可觀，未來一段時(shí)間是否能成為主流？

混合動(dòng)力汽車在一定程度上“降維打擊”了燃油車，但在與BEV的競爭中，前者在財(cái)政補(bǔ)貼和優(yōu)惠政策方面的加持力度不斷降低，其優(yōu)勢如何體現(xiàn)？

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從PHEV實(shí)測到推出MHEV

2020年10月，綠色和平組織的一份報(bào)告解讀了對三款歐洲暢銷PHEV（寶馬X5、沃爾沃XC60和三菱歐藍(lán)德）的測試結(jié)果：經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)測試，現(xiàn)實(shí)中PHEV的二氧化碳排放量是實(shí)驗(yàn)室中的2.5倍以上。報(bào)告認(rèn)為：PHEV未能實(shí)現(xiàn)實(shí)際宣傳的二氧化碳減排和燃油經(jīng)濟(jì)性。

2020年12月，沃爾沃宣布XC60將實(shí)現(xiàn)全系車型電氣化動(dòng)力系統(tǒng)，XC60 2.0T汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中增加了最新48V MHEV系統(tǒng)。

圖：沃爾沃官網(wǎng)的大肆渲染

與此同時(shí)，寶馬X5也爆出48V MHEV系統(tǒng)最新諜照，將于今年首發(fā)。不過，三菱依然故我，2021款還是PHEV。德系毫無疑問是48V MHEV堅(jiān)定不移的支持者和推動(dòng)者，早在2011年奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾聯(lián)合提出了這一方案。

圖：在測寶馬X5 48V MHEV

其實(shí)，嚴(yán)格來講，在混動(dòng)系統(tǒng)中，48V MHEV是最弱的一種，因?yàn)椴还苁潜葋喌系腜HEV系統(tǒng)，還是1997年豐田首創(chuàng)的燃油混動(dòng)（HEV）系統(tǒng)，電動(dòng)系統(tǒng)扮演的角色都要重得多。48V MHEV只是在目前電氣化浪潮下，主機(jī)廠為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)所研發(fā)的混動(dòng)方案。僅從節(jié)油效率來說，MHEV肯定不是最大的，不過在燃油到純電這一過程中，MHEV可能是過渡階段比較不錯(cuò)的解決方案。

為什么是48V？原因很簡單，因?yàn)殡妷旱土藢档陀秃膸椭淮?，電壓太高人身安全法?guī)通不過。而且48V MHEV系統(tǒng)技術(shù)很成熟，不需要主機(jī)廠大幅改變車輛設(shè)計(jì)，與普通燃油車駕駛方式也沒有什么差異，成本也較低。

說到成本，豐田的方案基本上是在原有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上再增加一套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，成本較高，維護(hù)成本也高。

PHEV既有發(fā)動(dòng)機(jī)也有電池組，具有HEV混合動(dòng)力和MHEV的功能，且能在純電模式下行駛。目前，PHEV系統(tǒng)車型要比同款燃油版貴數(shù)萬元。

MHEV是一套具備怠速停機(jī)和啟動(dòng)功能的系統(tǒng)，可以取代傳統(tǒng)燃油車的自動(dòng)啟停系統(tǒng)。由于MHEV電池容量較小，系統(tǒng)復(fù)雜程度較低，改動(dòng)很小，控制簡單，成本低（5000元左右），易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，更容易為消費(fèi)者接受；僅用HEV 30%的成本就可實(shí)現(xiàn)其70%的節(jié)油效果。

那為什么MHEV沒有政府補(bǔ)貼呢？事實(shí)上，政府想發(fā)展哪塊就會(huì)傾斜哪塊。從技術(shù)上講，只有動(dòng)力電池組容量大的才會(huì)有補(bǔ)貼，因?yàn)楣膭?lì)零排放嘛！

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48V系統(tǒng)的五個(gè)誤區(qū)

國際能源署《2020年全球電動(dòng)汽車展望》報(bào)告顯示，2019年，全球包括PHEV的電動(dòng)汽車銷量為210萬輛，上路總數(shù)已增加到720萬輛。然而，即使同比增長40%，電動(dòng)汽車也僅占全球汽車市場的1%和全球汽車銷售的2.6%，其余都是內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。減少二氧化碳排放和遵守政府法規(guī)正促使主機(jī)廠推出48V MHEV車型。

對半導(dǎo)體廠商來說，車輛電氣化怎么走都有利，因?yàn)槎夹枰雽?dǎo)體器件，所以他們對某種技術(shù)的評價(jià)還比較可信。德州儀器（TI）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總經(jīng)理Karl-Heinz Steinmetz認(rèn)為，技術(shù)可用性、市場和環(huán)境法規(guī)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的協(xié)調(diào)一致，才能使全電動(dòng)汽車的未來變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

他說：“人們對全電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的誤解和善意的忠誠依然存在，而這導(dǎo)致了針對MHEV的五個(gè)誤區(qū)”：

誤區(qū)一：48V MHEV市場不可能擴(kuò)大

即使并非所有消費(fèi)者都準(zhǔn)備放棄ICE汽車，市場也已為PHEV和BEV提供了多種ICE替代品。德勤《2020年全球汽車消費(fèi)者研究》顯示，印度10%和德國43%的潛在買家不愿意為電動(dòng)汽車支付更多的費(fèi)用。如何讓消費(fèi)者接受？48V MHEV恰恰可以在解決里程焦慮的同時(shí)不增加太多成本，既滿足現(xiàn)有需求，又讓消費(fèi)者向電氣化未來邁出一步。

圖：不愿意為自動(dòng)駕駛技術(shù)和替代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)再付錢的消費(fèi)者百分比

誤區(qū)二：主機(jī)廠會(huì)跳過48V

麥肯錫在《不斷變化的動(dòng)力總成部件市場和供應(yīng)商如何取得成功》”的報(bào)告中估計(jì)，到2030年，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施需要累計(jì)投資500億美元（不包括電網(wǎng)升級(jí)），才能支持PHEV和BEV當(dāng)前的增長軌跡。大多數(shù)主機(jī)廠都愿意采用48V系統(tǒng)，因?yàn)橹恍枰谲囕v結(jié)構(gòu)上進(jìn)行步進(jìn)變化，而用BEV取代ICE車輛需要昂貴的重新設(shè)計(jì)。隨著電氣子系統(tǒng)數(shù)量的增加，48V系統(tǒng)越來越受歡迎，越來越多的主機(jī)廠計(jì)劃或推出了MHEV。

誤區(qū)三：48V系統(tǒng)將使汽車更昂貴

盡管包括額外電池在內(nèi)的新部件成本有所增加，但其他方面仍有節(jié)省，包括：

減少近4公里電纜和相應(yīng)線束重量，因?yàn)?8V比12V使用的線規(guī)更小

48V電動(dòng)泵、風(fēng)扇、動(dòng)力轉(zhuǎn)向齒條和壓縮機(jī)的效率更高，可以降低成本

與PHEV和BEV相比，由于電池容量小，電池成本降低

在保持性能的同時(shí)，使用更小、更低成本的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)替代六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，縮小了尺寸

此外，還可以通過設(shè)計(jì)來管理MHEV成本——從成本最低的P0架構(gòu)（皮帶運(yùn)行）到緊密集成的P4架構(gòu)（電動(dòng)機(jī)直接向車軸施加扭矩）。

雖然規(guī)模經(jīng)濟(jì)可以進(jìn)一步抵消前期成本，但MHEV還可以通過提高燃油效率來降低使用成本，同時(shí)具有啟動(dòng)/停止期間更長的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間、通過回?zé)峄蛟偕苿?dòng)捕獲能量以及ICE發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輔助等功能。

誤區(qū)四：48V系統(tǒng)將取代12V系統(tǒng)

MHEV通過DC-DC轉(zhuǎn)換器將傳統(tǒng)12V電池連接到48V系統(tǒng)。在當(dāng)前設(shè)計(jì)中，48V系統(tǒng)可處理來自氣候控制和扭矩輔助的負(fù)載，并有助于減少啟動(dòng)時(shí)間，而12V系統(tǒng)則繼續(xù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱，處理主動(dòng)安全和信息娛樂功能，從而將重新設(shè)計(jì)和相關(guān)成本降到最低。最終，頭部主機(jī)廠將完全轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)，但這可能需要10至15年的時(shí)間。

誤區(qū)五：現(xiàn)在就推全電動(dòng)汽車

事實(shí)上，世界現(xiàn)在需要的是減少二氧化碳排放量。2021年，歐盟將開始將二氧化碳排放量限制在95克/公里，并計(jì)劃到2030年將其限制在59克/公里或以上。中國、印度、加拿大和英國等國家也宣布在未來幾十年逐步淘汰ICE車輛的目標(biāo)。

盡管電動(dòng)汽車目前可賣給愿意和有能力更換的消費(fèi)者使用，但MHEV提供了一條增加交通電氣化的途徑。這是一條有助于解決成本、里程和環(huán)境問題的途徑，同時(shí)繼續(xù)利用現(xiàn)有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和客戶期望。

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怎樣設(shè)計(jì)48V MHEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

Strategy Analytics的動(dòng)力總成、車身、底盤和安全服務(wù)主管Asif Anwar 說：“48V系統(tǒng)是一項(xiàng)變革性的技術(shù)，可幫助主機(jī)廠達(dá)到減排指標(biāo)，為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）提供更大的功率，同時(shí)管理暖通空調(diào)系統(tǒng)等高耗電負(fù)載?！币七M(jìn)MHEV進(jìn)程，需要將先進(jìn)性能與功能安全和AEC-Q100的0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，才能提供系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行優(yōu)勢，幫助主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

為了符合法規(guī)要求，主機(jī)廠正在增加MHEV車型，并以更大量產(chǎn)規(guī)模來降低制造成本。TI電機(jī)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian說：“48V MHEV市場有很大增長空間，未來將占有很大市場份額?！?

他指出，為在MHEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)汽車電氣化，設(shè)計(jì)人員需要滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的以下要求：

尺寸要小：因?yàn)殡娐钒蹇臻g有限，需要集成更多的器件，以滿足實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求

考慮功能安全性：能夠達(dá)到業(yè)內(nèi)最高等級(jí)ASIL-D的系統(tǒng)功能安全性要求，實(shí)現(xiàn)ISO26262所要求的設(shè)計(jì)

支持大功率應(yīng)用：能夠驅(qū)動(dòng)30kW左右功率的電機(jī)，用大功率器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)，有效實(shí)現(xiàn)電氣化

耐受惡劣條件：能夠承受高溫或高壓條件，而不出現(xiàn)失效

不過，在尺寸方面，常見48V電動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成度并不高，分立元件比較多，因此體積也比較大。

圖：48V電動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

與現(xiàn)有的三相48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相比，TI剛剛推出的三相48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV3255-Q1可在滿足主機(jī)廠對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多方面要求的同時(shí)，利用集成將無源器件減少12-24個(gè)，減少PCB空間多達(dá)30%，可實(shí)現(xiàn)尺寸更小的48V大功率電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如MHEV牽引逆變器和起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)），降低物料清單成本。

圖：DRV3255-Q1電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是不是簡單很多

Soundarapandian介紹說，新產(chǎn)品集成了高側(cè)和低側(cè)主動(dòng)短路邏輯和動(dòng)態(tài)故障響應(yīng)功能，省去了外部晶體管和控制邏輯，幫助設(shè)計(jì)人員簡化了設(shè)計(jì)。它可為高達(dá)600A電流的電機(jī)提供更高的柵極驅(qū)動(dòng)電流，直接驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電荷高達(dá)1,000nC的MOSFET；更好的保護(hù)和更高的輸出功率（高達(dá)30kW）有助于縮短重型車輛中48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，甚至能驅(qū)動(dòng)皮卡等重型車輛，保證駕駛員在停車后更快加速行駛。

在保護(hù)方面，新驅(qū)動(dòng)器符合AEC Q-100的0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛的工作溫度范圍（-40℃至150℃），可防止48V動(dòng)力總成系統(tǒng)受到高達(dá)95V開關(guān)瞬態(tài)電壓和負(fù)載突降的影響，從而省去了保護(hù)電路，提高了產(chǎn)品的可靠性。

利用主動(dòng)短路邏輯功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)需求靈活地連接MOSFET，防止由于過壓導(dǎo)致的災(zāi)難性系統(tǒng)故障。在過壓情況下，動(dòng)態(tài)故障響應(yīng)會(huì)自動(dòng)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器切換至主動(dòng)短路模式，在優(yōu)化系統(tǒng)性能的同時(shí)防止車輛電機(jī)和電氣部件受到過壓應(yīng)力的影響。

在功能安全方面，DRV3255-Q1采用經(jīng)TüV SüD認(rèn)證的功能安全硬件開發(fā)流程設(shè)計(jì)，并包含內(nèi)置的安全機(jī)制和文檔（如故障模式、影響和診斷分析以及功能安全手冊），簡化了ISO 26262 ASIL D級(jí)合規(guī)性認(rèn)證。除針對器件內(nèi)部故障模式的安全機(jī)制外，數(shù)字輸入/輸出引腳還可以承受75V的絕對最大額定值，防止DRV3255-Q1受到外部12V電源過壓的影響。

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最后說說電機(jī)位置

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，經(jīng)常提到P0、P1、P2、P3和P4。P指的是五種電機(jī)所在位置：

P0是電機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前面，包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)渦輪、一體式發(fā)電機(jī)/起動(dòng)機(jī)、高壓發(fā)電機(jī)等；

P1是電機(jī)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連在一起，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)電機(jī)就跟著轉(zhuǎn)，所以P1模式混動(dòng)汽車沒有純電行駛模式

P2是在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間加入兩個(gè)離合器和一套電機(jī)來實(shí)現(xiàn)混動(dòng)，這種模式的車可以實(shí)現(xiàn)純電行駛模式

P3是將電動(dòng)機(jī)挪到了變速箱的末端，其優(yōu)點(diǎn)是純電驅(qū)動(dòng)更為直接、高效、動(dòng)能回收效率高，但電機(jī)無法與變速箱或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整合，需要占用額外體積

P4是把電動(dòng)機(jī)放在后橋上，直接驅(qū)動(dòng)車輪，動(dòng)力更直接，這種混動(dòng)模式主要用于跑車和SUV

圖：各種混合動(dòng)力路線

時(shí)下普遍使用的P0、P2結(jié)構(gòu)比較簡單，并且有助于控制成本，整體效果也非常出色，尤其P2是混動(dòng)汽車運(yùn)用最廣泛的一種模式。據(jù)了解，TI此次發(fā)布的這個(gè)方案適用于48V P0和P2電機(jī)，其高度集成的特性有助于設(shè)計(jì)工程師構(gòu)建小型化的48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。