基于48V系統(tǒng)的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）架構(gòu)

作者：Jay Nagle，汽車(chē)產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)工程師，安森美半導(dǎo)體

隨著汽車(chē)行業(yè)全電動(dòng)化的持續(xù)發(fā)展，基于48V系統(tǒng)的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）架構(gòu)的潛力正在汽車(chē)行業(yè)中得到充分的體現(xiàn)。在未來(lái)的五年里，汽車(chē)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(zhǎng)，許多領(lǐng)先的汽車(chē)制造商要么已經(jīng)在銷(xiāo)售MHEV，要么計(jì)劃在不久的將來(lái)推出MHEV。預(yù)計(jì)到2025年以后，MHEV將占到所有車(chē)輛的10%左右。

MHEV配置構(gòu)成了整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)版圖的一部分，并填補(bǔ)了傳統(tǒng)的12V內(nèi)燃機(jī)車(chē)（ICE）和純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）之間的差距（圖1）。

圖1：整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)格局涵蓋從簡(jiǎn)單的12V輔助系統(tǒng)到純電動(dòng)。（來(lái)源：Yole）

這種低壓MHEV方案有諸多的優(yōu)勢(shì)：這種系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)（ICE）的補(bǔ)充；額外的48V總線支持發(fā)動(dòng)機(jī)艙中日益增長(zhǎng)的各類(lèi)電氣化的功能，比如電動(dòng)泵。而對(duì)于48V總線，它被歸類(lèi)為低壓系統(tǒng)，其線束要求也因此降低。

考慮到所有這些因素，人們對(duì)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(chē)排放符合更嚴(yán)苛的法規(guī)。僅此一點(diǎn)，就足以保證MHEV技術(shù)的持續(xù)采用，以及同時(shí)向全電動(dòng)的更長(zhǎng)期轉(zhuǎn)變。MHEV的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它不依賴(lài)外部電源，它是一個(gè)完全封閉、自充電的系統(tǒng)，當(dāng)ICE處于重負(fù)時(shí)可以提供額外的動(dòng)力。這足以增加每升公里數(shù)（km/L），從而減少溫室氣體排放。據(jù)估計(jì)，采用了MHEV系統(tǒng)的車(chē)輛同比可減少燃油排放多達(dá)10％。

實(shí)現(xiàn)輕度混合動(dòng)力輔助

如上所述，MHEV使用電機(jī)來(lái)對(duì)ICE提供輔助，而不是像全電動(dòng)汽車(chē)那樣用它來(lái)提供所有動(dòng)力。然而，這并不是說(shuō)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)，電機(jī)可以在低速條件下在有限時(shí)間內(nèi)提供所有所需的動(dòng)力。當(dāng)車(chē)輛減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)將工作模式切換到發(fā)電機(jī)（回收）模式而為48V電池充電。隨著基礎(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)，所用電機(jī)的輸出功率從15kW增加到30kW，輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)將能夠承擔(dān)更多的動(dòng)力輸出。

當(dāng)制造商將MHEV技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的ICE動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，有多種方案可供選擇。似乎大多數(shù)制造商所青睞的方法是，在變速箱的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，用皮帶傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)連接到曲軸上。這意味著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相同，而與傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速不同。這也意味著電機(jī)可以通過(guò)離合器與傳動(dòng)軸耦合，就像內(nèi)燃機(jī)（ICE）和傳動(dòng)軸通過(guò)離合器耦合一樣。

圖2：MHEV系統(tǒng)的主架構(gòu)。

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

在大多數(shù)系統(tǒng)中，48V總線是現(xiàn)有12V系統(tǒng)的輔助，這意味著車(chē)上仍然有12V電池。然而，48V系統(tǒng)通?？梢酝ㄟ^(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)對(duì)12V系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，這個(gè)轉(zhuǎn)換器是重要的新增補(bǔ)充系統(tǒng)，這也需要考慮。

提供MHEV系統(tǒng)的各組成部分

在MHEV中，電氣系統(tǒng)采用兩種電壓總線。12V總線繼續(xù)為低功率系統(tǒng)提供電力，而48V總線則用于大功率電機(jī)——例如現(xiàn)在用于動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)和自適應(yīng)懸架的電機(jī)——以及為連接到傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)提供動(dòng)力。雖然在汽車(chē)中使用48V總線電壓并不是全新的技術(shù)，但其CO2減排成本比純電動(dòng)方式更低，因此成為了更新系統(tǒng)的動(dòng)力。

如前所述，MHEV所涉及的電氣系統(tǒng)通常包括一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器而用來(lái)連接兩種總線。如果采用的電動(dòng)機(jī)為交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，則系統(tǒng)還會(huì)包括一個(gè)逆變器（見(jiàn)圖3）。由于MHEV不是插電式系統(tǒng)，因此不需要車(chē)載充電電路，但該領(lǐng)域已在發(fā)展，因此未來(lái)可能會(huì)看到基于48V系統(tǒng)的全混合動(dòng)力汽車(chē)。

圖3：帶DC-AC逆變器的48V/12V系統(tǒng)。（來(lái)源：Yole）

安森美半導(dǎo)體專(zhuān)注于汽車(chē)和電源解決方案，能夠滿足所有48V 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(gè)方面有關(guān)，包括電氣性能、DC-DC轉(zhuǎn)換中所用元件的尺寸和重量。安森美半導(dǎo)體由于可以提供較小封裝、額定電壓在80V以上的各類(lèi)MOSFET，因此可以實(shí)現(xiàn)較小體積的方案和較低的系統(tǒng)成本，并滿足汽車(chē)制造商所需的高散熱性能。在這些應(yīng)用中，電氣效率是一個(gè)關(guān)鍵要求，它和開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻直接相關(guān)，而導(dǎo)通電阻會(huì)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(kāi)關(guān)速度，這也會(huì)影響整體功率損耗。眾所周知，安森美半導(dǎo)體在這方面擁有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)，并且還有柵極驅(qū)動(dòng)方案相輔相成。將它們結(jié)合起來(lái)，就可以得到一個(gè)優(yōu)化的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這一專(zhuān)長(zhǎng)在安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)的汽車(chē)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，具有低熱阻和高可靠性，可以承受車(chē)輛環(huán)境里固有的振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力。由于這些模塊是為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此用它們實(shí)現(xiàn)MHEV系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。采用安森美半導(dǎo)體APM的另一個(gè)主要好處是可在很小的占位面積內(nèi)提供高功率密度，這就可減少整個(gè)系統(tǒng)的總重量，從而進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)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)字隔離器和電子熔斷器（eFuse），以及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。

總結(jié)

對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，決定采用輕度混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)該比較簡(jiǎn)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(dòng)力系統(tǒng)70%的好處。此外，由于這類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是在ICE之外運(yùn)行，因此其沒(méi)有由電動(dòng)汽車(chē)引起的消費(fèi)者所擔(dān)憂的那些問(wèn)題，比如續(xù)航焦慮。從消費(fèi)者的角度來(lái)看，轉(zhuǎn)向采用輕度混合動(dòng)力技術(shù)除了降低排放和明顯提高燃油效率的好處外，并沒(méi)有其他明顯影響。

隨著美洲、亞洲和歐洲越來(lái)越多的國(guó)家頒布降低排放的規(guī)定，汽車(chē)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(duì)于許多制造商來(lái)說(shuō)，48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)入門(mén)級(jí)的技術(shù)，我們期待著在短期內(nèi)會(huì)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(duì)汽車(chē)優(yōu)化、廣泛的電源方案組合，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(duì)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(chē)行業(yè)所需方案方面已經(jīng)有良好的記錄。

編輯：hfy