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汽車功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機 (ICE) 與電動機結(jié)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(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。
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(shù)，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(guān)注對象。此外，還有其他減排技術(shù)，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。
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(zhuǎn)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。
??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(jié)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(jié)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(qū)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(guān)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(shù)功能。隨著技術(shù)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(qū)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(zhuǎn)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(qū)動，并在 ICE 關(guān)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(guān)斷的情況下也能繼續(xù)運轉(zhuǎn)。位置 P3 和 P4 可實現(xiàn)最大能量回收。在前輪驅(qū)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(qū)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(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(qū)動起動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，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(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 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(guān)斷，車輛的運動也會帶動后橋或傳動軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動。
由于 ISG 現(xiàn)在獨立于 ICE，因此可以采用更激進的 ICE 關(guān)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(qū)動，這意味著 ISG 在發(fā)揮電機功能的同時，還能驅(qū)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。
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(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(zhuǎn)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(qū)動。
DC-DC 轉(zhuǎn)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(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
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(guān)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(guān)的系統(tǒng)（例如控制制動、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(guān)鍵。
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?點個星標，茫茫人海也能一眼看到我?
