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

 

MHEV配置構成了整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)版圖的一部分，并填補了傳統的12v內燃機車(chē) (ICE) 和純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 之間的差距。

這種低壓的MHEV系統有諸多的優(yōu)勢：該系統是內燃機 (ICE) 的補充；額外的48 V總線(xiàn)支持發(fā)動(dòng)機艙中的日益增長(cháng)的各類(lèi)電氣化的各種功能，比如電動(dòng)泵。而對于48 V母線(xiàn)，它被歸類(lèi)于低壓系統，其線(xiàn)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(chē)排放符合更嚴苛的法規。 僅此一點(diǎn)，就足以保證了MHEV技術(shù)的持續采用與更長(cháng)期的向全電動(dòng)轉變同步進(jìn)行。

 

MHEV的另一個(gè)主要優(yōu)勢是它不依賴(lài)外部電源，它是一個(gè)完全封閉、自充電的系統，當ICE處于重負時(shí)可以提供額外的動(dòng)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(chē)輛同比可減少燃油排放多達10％。

 

實(shí)施輕度混合動(dòng)力輔助

 

如上所述，MHEV使用一個(gè)電機來(lái)輔助ICE，而不是像全電動(dòng)汽車(chē)那樣提供所有的動(dòng)力。然而，這并不意味著(zhù)ICE需要一直運行，在最近的例子中，取決于拓撲結構，電動(dòng)馬達可以在低速條件下的有限時(shí)間內提供所需的所有驅動(dòng)。當車(chē)輛減速或制動(dòng)時(shí)，電機切換工作模式 (恢復) 到發(fā)電機模式為48 V電池充電。隨著(zhù)基礎技術(shù)的改進(jìn)，使用的電機的輸出功率從15 kW增加到30 kW，輕度混合動(dòng)力系統將能夠承擔更多的動(dòng)力輸出。

 

當制造商將MHEV技術(shù)應用到現有的ICE動(dòng)力傳動(dòng)系統時(shí)，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(fā)動(dòng)機一側，用皮帶驅動(dòng)將電動(dòng)機連接到曲軸上。這意味著(zhù)電動(dòng)機的轉速與發(fā)動(dòng)機的曲軸相同，與傳動(dòng)軸的轉速不同。這也意味著(zhù)電機可以通過(guò)離合器與傳動(dòng)軸耦合，就像內燃機 (ICE) 和傳動(dòng)軸通過(guò)離合器偶和一樣。

 

圖2：MHEV系統的主架構

 

這種架構被稱(chēng)為皮帶傳動(dòng)一體化起動(dòng)/發(fā)電機 (BSG)，通常稱(chēng)為P0，如圖2所示。這表明電機是通過(guò)皮帶連接到曲軸上的，在啟停系統中可以用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，而不是像使用12v總線(xiàn)和傳統的啟動(dòng)電機的系統一樣。這樣做的好處是，由于發(fā)動(dòng)機重啟的速度更快，這樣可以提供更高的啟動(dòng)扭矩并帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗。另外，因為48 V電機同時(shí)用來(lái)給48 V電池充電，所以它也是一個(gè)發(fā)電機。

 

在大多數系統中，48 V總線(xiàn)是現有12 V系統的輔助，這意味著(zhù)車(chē)上仍然有12 V電池。然而，48 V系統通?？梢酝ㄟ^(guò)DC-DC轉換器來(lái)補充12 V系統，這個(gè)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(gè)電壓母線(xiàn)。12 V母線(xiàn)繼續為低功率系統提供電力，而48 V母線(xiàn)則用于大功率電機，例如現在用于動(dòng)力轉向、空調和自適應懸架，以及為連接到傳動(dòng)系統的電機提供動(dòng)力。雖然在汽車(chē)中使用48 V總線(xiàn)電壓并不是全新的技術(shù)，但其降低CO2的成本比純電動(dòng)的方式更低，這成為了更新系統的動(dòng)力 (動(dòng)力來(lái)自于比純電動(dòng)汽車(chē)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(gè)DC-DC轉換器以連接兩個(gè)總線(xiàn)。 如果采用的電動(dòng)機為交流感應電動(dòng)機，則系統還將包括一個(gè)逆變器 (見(jiàn)圖3)。 由于MHEV不是插電式的系統，因此不需要車(chē)載充電電路，但該領(lǐng)域已在發(fā)展，可能會(huì )看到基于48 V系統的全混合動(dòng)力汽車(chē)。

 

圖3：一個(gè)帶DC-AC逆變器的48 V/12 V系統 (來(lái)源：Yole)

 

安森美半導體專(zhuān)注于汽車(chē)和電源解決方案，能夠滿(mǎn)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(gè)方面有關(guān)，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(lèi)MOSFET，可以帶來(lái)一個(gè)更小體積的方案和更低的系統成本，并滿(mǎn)足汽車(chē)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(gè)關(guān)鍵的要求，它和開(kāi)關(guān)晶體管的導通電阻直接相關(guān)，而導通電阻會(huì )影響系統中的導通損耗。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 )影響整體的功率損耗。安森美半導體被公認為在這方面擁有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)，并輔以其門(mén)極驅動(dòng)方案。它們一起創(chuàng )造了一個(gè)優(yōu)化的電力拓撲結構。

 

這些優(yōu)點(diǎn)在安森美半導體生產(chǎn)的汽車(chē)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(chē)輛環(huán)境里固有的振動(dòng)和機械應力。由于這些模塊是為汽車(chē)應用而設計的，它們使得實(shí)現MHEV系統變得更加簡(jiǎn)單。

 

采用安森美半導體的APM的另一個(gè)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(gè)系統的總重量，從而進(jìn)一步減輕了發(fā)動(dòng)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(chē)載網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器。

 

總結

 

對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，決定采用輕度混合動(dòng)力技術(shù)應該比較簡(jiǎn)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(dòng)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(méi)有由電動(dòng)汽車(chē)引起的消費者所擔憂(yōu)的那些問(wèn)題，比如續航焦慮。從消費者的角度來(lái)看，轉向采用輕度混合動(dòng)力技術(shù)除了低排放和明顯提高燃油效率的好處外，并沒(méi)有明顯的影響。

 

隨著(zhù)美洲、亞洲和歐洲越來(lái)越多的國家頒布了降低排放的規定，汽車(chē)制造商面臨著(zhù)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(lái)說(shuō)，48 V輕度混合動(dòng)力系統是一個(gè)入門(mén)級的技術(shù)，我們期待著(zhù)在短期內會(huì )有更多的廠(chǎng)商采用這項技術(shù)。

 

安森美半導體憑借其針對汽車(chē)優(yōu)化、廣泛的電源方案組合，其在滿(mǎn)足目前業(yè)界發(fā)展節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)，安森美半導體在為實(shí)現MHEV提供汽車(chē)行業(yè)需要的方案方面已經(jīng)有良好的記錄。