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采用高能效方案邁向輕度混合動力電動汽車

發布時間:2021-06-20 來源:Jay Nagle,安森美半導體 責任編輯:lina

【導讀】隨著汽車行業全電動化的持續發展,基于48V系統的輕度混合動力電動汽車 (MHEV) 架構的潛力正在汽車行業中得到充分的體現。在未來的五年里,汽車行業預計在我們的道路上行駛的MHEV數量將以每年30%的速度增長,許多領先的汽車制造商要么已經在銷售MHEV,要么計劃在不久的將來推出MHEV。預計到2025年以后,MHEV將占到所有車輛的10%左右。
 
隨著汽車行業全電動化的持續發展,基于48V系統的輕度混合動力電動汽車 (MHEV) 架構的潛力正在汽車行業中得到充分的體現。在未來的五年里,汽車行業預計在我們的道路上行駛的MHEV數量將以每年30%的速度增長,許多領先的汽車制造商要么已經在銷售MHEV,要么計劃在不久的將來推出MHEV。預計到2025年以后,MHEV將占到所有車輛的10%左右。
 
MHEV配置構成了整個電動汽車版圖的一部分,并填補了傳統的12v內燃機車 (ICE) 和純電動汽車 (BEV) 之間的差距。
 
采用高能效方案邁向輕度混合動力電動汽車
圖1:整個EV格局涵蓋從簡單的12 V輔助系統到純電動(來源:Yole)
 
這種低壓的MHEV系統有諸多的優勢:該系統是內燃機 (ICE) 的補充;額外的48 V總線支持發動機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,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,不僅是因為它可幫助降低傳統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苛的法規。 僅此一點,就足以保證了MHEV技術的持續采用與更長期的向全電動轉變同步進行。
 
MHEV的另一個主要優勢是它不依賴外部電源,它是一個完全封閉、自充電的系統,當ICE處于重負時可以提供額外的動力。這足以增加每升公里數 (km / ltr) ,從而減少溫室氣體排放。據估計,采用了MHEV系統的車輛同比可減少燃油排放多達10%。
 
實施輕度混合動力輔助
 
如上所述,MHEV使用一個電機來輔助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需要一直運行,在最近的例子中,取決于拓撲結構,電動馬達可以在低速條件下的有限時間內提供所需的所有驅動。當車輛減速或制動時,電機切換工作模式 (恢復) 到發電機模式為48 V電池充電。隨著基礎技術的改進,使用的電機的輸出功率從15 kW增加到30 kW,輕度混合動力系統將能夠承擔更多的動力輸出。
 
當制造商將MHEV技術應用到現有的ICE動力傳動系統時,有多種選項可供選擇。大多數制造商似乎青睞的方法是,在變速箱的發動機一側,用皮帶驅動將電動機連接到曲軸上。這意味著電動機的轉速與發動機的曲軸相同,與傳動軸的轉速不同。這也意味著電機可以通過離合器與傳動軸耦合,就像內燃機 (ICE) 和傳動軸通過離合器偶和一樣。
 
采用高能效方案邁向輕度混合動力電動汽車
圖2:MHEV系統的主架構
 
這種架構被稱為皮帶傳動一體化起動/發電機 (BSG),通常稱為P0,如圖2所示。這表明電機是通過皮帶連接到曲軸上的,在啟停系統中可以用來啟動發動機,而不是像使用12v總線和傳統的啟動電機的系統一樣。這樣做的好處是,由于發動機重啟的速度更快,這樣可以提供更高的啟動扭矩并帶來更好的用戶體驗。另外,因為48 V電機同時用來給48 V電池充電,所以它也是一個發電機。
 
在大多數系統中,48 V總線是現有12 V系統的輔助,這意味著車上仍然有12 V電池。然而,48 V系統通??梢酝ㄟ^DC-DC轉換器來補充12 V系統,這個DC-DC是重要的新增補充系統,這也需要考慮。
 
提供MHEV系統的構建塊
 
在MHEV中,電氣系統采用兩個電壓母線。12 V母線繼續為低功率系統提供電力,而48 V母線則用于大功率電機,例如現在用于動力轉向、空調和自適應懸架,以及為連接到傳動系統的電機提供動力。雖然在汽車中使用48 V總線電壓并不是全新的技術,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所涉及的電氣系統通常包括一個DC-DC轉換器以連接兩個總線。 如果采用的電動機為交流感應電動機,則系統還將包括一個逆變器 (見圖3)。 由于MHEV不是插電式的系統,因此不需要車載充電電路,但該領域已在發展,可能會看到基于48 V系統的全混合動力汽車。
 
采用高能效方案邁向輕度混合動力電動汽車
圖3:一個帶DC-AC逆變器的48 V/12 V系統 (來源:Yole)
 
安森美半導體專注于汽車和電源解決方案,能夠滿足所有48 V MHEV應用的需求。燃油效率的提高與系統設計的各個方面有關,包括電氣性能、DC-DC轉換中使用的元件的尺寸和重量。安森美半導體可以提供小封裝,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成本,并滿足汽車制造商所需要的高效的熱性能。
 
在這些應用中,電氣效率是一個關鍵的要求,它和開關晶體管的導通電阻直接相關,而導通電阻會影響系統中的導通損耗。其他關鍵的優點包括晶體管的開關速度,這也會影響整體的功率損耗。安森美半導體被公認為在這方面擁有行業領先的技術,并輔以其門極驅動方案。它們一起創造了一個優化的電力拓撲結構。
 
這些優點在安森美半導體生產的汽車電源模塊(APM)中也得到了體現,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,可以承受車輛環境里固有的振動和機械應力。由于這些模塊是為汽車應用而設計的,它們使得實現MHEV系統變得更加簡單。
 
采用安森美半導體的APM的另一個主要好處是在很小的占位面積內提供高功率密度,這減少了整個系統的總重量,從而進一步減輕了發動機的負擔,這也有助于降低排放。
 
除功率晶體管和模塊以外,安森美半導體還能提供所需的輔助元件,如運算放大器、高速數字隔離器和eFuse,以及車載網絡收發器。
 
總結
 
對于汽車制造商來說,決定采用輕度混合動力技術應該比較簡單。根據拓撲結構的不同,它只需要增加30%的成本,就能提供全混合動力系統的70%的好處。
 
此外,由于這些系統的設計目的是在ICE之外運行,它們沒有由電動汽車引起的消費者所擔憂的那些問題,比如續航焦慮。從消費者的角度來看,轉向采用輕度混合動力技術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定,汽車制造商面臨著降低排放和提高燃油能效的任務; 這些要求與MHEV技術完美的同步。對于許多制造商來說,48 V輕度混合動力系統是一個入門級的技術,我們期待著在短期內會有更多的廠商采用這項技術。
 
安森美半導體憑借其針對汽車優化、廣泛的電源方案組合,其在滿足目前業界發展節能方案的需要上處于有利地位。業界對能效的關注延伸到MHEV技術,安森美半導體在為實現MHEV提供汽車行業需要的方案方面已經有良好的記錄。
 
 
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