采用高能效方案邁向輕度混合動力電動汽車

隨著汽車行業(yè)全電動化的持續(xù)發(fā)展，基于48V系統(tǒng)的輕度混合動力電動汽車 (MHEV) 架構(gòu)的潛力正在汽車行業(yè)中得到充分的體現(xiàn)。在未來的五年里，汽車行業(yè)預(yù)計(jì)在我們的道路上行駛的MHEV數(shù)量將以每年30%的速度增長，許多領(lǐng)先的汽車制造商要么已經(jīng)在銷售MHEV，要么計(jì)劃在不久的將來推出MHEV。預(yù)計(jì)到2025年以后，MHEV將占到所有車輛的10%左右。

MHEV配置構(gòu)成了整個電動汽車版圖的一部分，并填補(bǔ)了傳統(tǒng)的12v內(nèi)燃機(jī)車 (ICE) 和純電動汽車 (BEV) 之間的差距。

圖1：整個EV格局涵蓋從簡單的12 V輔助系統(tǒng)到純電動（來源：Yole）

這種低壓的MHEV系統(tǒng)有諸多的優(yōu)勢：該系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī) (ICE) 的補(bǔ)充；額外的48 V總線支持發(fā)動機(jī)艙中的日益增長的各類電氣化的各種功能，比如電動泵。而對于48 V母線，它被歸類于低壓系統(tǒng)，其線束要求也因此降低。

考慮到所有這些因素，人們對MHEV的興趣與日俱增，不僅是因?yàn)樗蓭椭档蛡鹘y(tǒng)ICE的污染物排放，更重要的是它能以合理的成本使汽車排放符合更嚴(yán)苛的法規(guī)。 僅此一點(diǎn)，就足以保證了MHEV技術(shù)的持續(xù)采用與更長期的向全電動轉(zhuǎn)變同步進(jìn)行。

MHEV的另一個主要優(yōu)勢是它不依賴外部電源，它是一個完全封閉、自充電的系統(tǒng)，當(dāng)ICE處于重負(fù)時可以提供額外的動力。這足以增加每升公里數(shù) (km / ltr) ，從而減少溫室氣體排放。據(jù)估計(jì)，采用了MHEV系統(tǒng)的車輛同比可減少燃油排放多達(dá)10％。

實(shí)施輕度混合動力輔助

如上所述，MHEV使用一個電機(jī)來輔助ICE，而不是像全電動汽車那樣提供所有的動力。然而，這并不意味著ICE需要一直運(yùn)行，在最近的例子中，取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電動馬達(dá)可以在低速條件下的有限時間內(nèi)提供所需的所有驅(qū)動。當(dāng)車輛減速或制動時，電機(jī)切換工作模式 (恢復(fù)) 到發(fā)電機(jī)模式為48 V電池充電。隨著基礎(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)，使用的電機(jī)的輸出功率從15 kW增加到30 kW，輕度混合動力系統(tǒng)將能夠承擔(dān)更多的動力輸出。

當(dāng)制造商將MHEV技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的ICE動力傳動系統(tǒng)時，有多種選項(xiàng)可供選擇。大多數(shù)制造商似乎青睞的方法是，在變速箱的發(fā)動機(jī)一側(cè)，用皮帶驅(qū)動將電動機(jī)連接到曲軸上。這意味著電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的曲軸相同，與傳動軸的轉(zhuǎn)速不同。這也意味著電機(jī)可以通過離合器與傳動軸耦合，就像內(nèi)燃機(jī) (ICE) 和傳動軸通過離合器偶和一樣。

圖2：MHEV系統(tǒng)的主架構(gòu)

這種架構(gòu)被稱為皮帶傳動一體化起動/發(fā)電機(jī) (BSG)，通常稱為P0，如圖2所示。這表明電機(jī)是通過皮帶連接到曲軸上的，在啟停系統(tǒng)中可以用來啟動發(fā)動機(jī)，而不是像使用12v總線和傳統(tǒng)的啟動電機(jī)的系統(tǒng)一樣。這樣做的好處是，由于發(fā)動機(jī)重啟的速度更快，這樣可以提供更高的啟動扭矩并帶來更好的用戶體驗(yàn)。另外，因?yàn)?8 V電機(jī)同時用來給48 V電池充電，所以它也是一個發(fā)電機(jī)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，48 V總線是現(xiàn)有12 V系統(tǒng)的輔助，這意味著車上仍然有12 V電池。然而，48 V系統(tǒng)通常可以通過DC-DC轉(zhuǎn)換器來補(bǔ)充12 V系統(tǒng)，這個DC-DC是重要的新增補(bǔ)充系統(tǒng)，這也需要考慮。

提供MHEV系統(tǒng)的構(gòu)建塊

在MHEV中，電氣系統(tǒng)采用兩個電壓母線。12 V母線繼續(xù)為低功率系統(tǒng)提供電力，而48 V母線則用于大功率電機(jī)，例如現(xiàn)在用于動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)和自適應(yīng)懸架，以及為連接到傳動系統(tǒng)的電機(jī)提供動力。雖然在汽車中使用48 V總線電壓并不是全新的技術(shù)，但其降低CO2的成本比純電動的方式更低，這成為了更新系統(tǒng)的動力 (動力來自于比純電動汽車更低成本的二氧化碳減排)。

如前所述，MHEV所涉及的電氣系統(tǒng)通常包括一個DC-DC轉(zhuǎn)換器以連接兩個總線。 如果采用的電動機(jī)為交流感應(yīng)電動機(jī)，則系統(tǒng)還將包括一個逆變器 (見圖3)。 由于MHEV不是插電式的系統(tǒng)，因此不需要車載充電電路，但該領(lǐng)域已在發(fā)展，可能會看到基于48 V系統(tǒng)的全混合動力汽車。

圖3：一個帶DC-AC逆變器的48 V/12 V系統(tǒng) (來源：Yole)

安森美半導(dǎo)體專注于汽車和電源解決方案，能夠滿足所有48 V MHEV應(yīng)用的需求。燃油效率的提高與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個方面有關(guān)，包括電氣性能、DC-DC轉(zhuǎn)換中使用的元件的尺寸和重量。安森美半導(dǎo)體可以提供小封裝，額定電壓在80 V以上的各類MOSFET，可以帶來一個更小體積的方案和更低的系統(tǒng)成本，并滿足汽車制造商所需要的高效的熱性能。

在這些應(yīng)用中，電氣效率是一個關(guān)鍵的要求，它和開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻直接相關(guān)，而導(dǎo)通電阻會影響系統(tǒng)中的導(dǎo)通損耗。其他關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)包括晶體管的開關(guān)速度，這也會影響整體的功率損耗。安森美半導(dǎo)體被公認(rèn)為在這方面擁有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)，并輔以其門極驅(qū)動方案。它們一起創(chuàng)造了一個優(yōu)化的電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這些優(yōu)點(diǎn)在安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)的汽車電源模塊(APM)中也得到了體現(xiàn)，它具有全橋和半橋配置或集成了三相逆變電路。APM采用直接鍵合銅 (DBC) 襯底材料的壓鑄模封裝，其具有低熱阻和高可靠性，可以承受車輛環(huán)境里固有的振動和機(jī)械應(yīng)力。由于這些模塊是為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它們使得實(shí)現(xiàn)MHEV系統(tǒng)變得更加簡單。

采用安森美半導(dǎo)體的APM的另一個主要好處是在很小的占位面積內(nèi)提供高功率密度，這減少了整個系統(tǒng)的總重量，從而進(jìn)一步減輕了發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)，這也有助于降低排放。

除功率晶體管和模塊以外，安森美半導(dǎo)體還能提供所需的輔助元件，如運(yùn)算放大器、高速數(shù)字隔離器和eFuse，以及車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。

總結(jié)

對于汽車制造商來說，決定采用輕度混合動力技術(shù)應(yīng)該比較簡單。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，它只需要增加30%的成本，就能提供全混合動力系統(tǒng)的70%的好處。

此外，由于這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是在ICE之外運(yùn)行，它們沒有由電動汽車引起的消費(fèi)者所擔(dān)憂的那些問題，比如續(xù)航焦慮。從消費(fèi)者的角度來看，轉(zhuǎn)向采用輕度混合動力技術(shù)除了低排放和明顯提高燃油效率的好處外，并沒有明顯的影響。

隨著美洲、亞洲和歐洲越來越多的國家頒布了降低排放的規(guī)定，汽車制造商面臨著降低排放和提高燃油能效的任務(wù); 這些要求與MHEV技術(shù)完美的同步。對于許多制造商來說，48 V輕度混合動力系統(tǒng)是一個入門級的技術(shù)，我們期待著在短期內(nèi)會有更多的廠商采用這項(xiàng)技術(shù)。

安森美半導(dǎo)體憑借其針對汽車優(yōu)化、廣泛的電源方案組合，其在滿足目前業(yè)界發(fā)展節(jié)能方案的需要上處于有利地位。業(yè)界對能效的關(guān)注延伸到MHEV技術(shù)，安森美半導(dǎo)體在為實(shí)現(xiàn)MHEV提供汽車行業(yè)需要的方案方面已經(jīng)有良好的記錄。