【導讀】一個(gè)多世紀以來(lái)，內燃機(ICE)一直是全球汽車(chē)工業(yè)的推進(jìn)主力。汽車(chē)電氣化的創(chuàng )新正在將汽車(chē)改進(jìn)為擁有更先進(jìn)技術(shù)的交通解決方案。然而，并不是所有的EV都是一樣的，顯而易見(jiàn)目前的幾種混動(dòng)的動(dòng)力總成和純電動(dòng)的動(dòng)力總成是不同的。
皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)電機(BSG)或啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(ISG)是EV發(fā)展里程當中的一個(gè)解決方案。BSG/ISG與ICE的組合創(chuàng )造了一種輕度混合動(dòng)力汽車(chē)(MHEV)，這種混合動(dòng)力解決方案為電子模塊和電動(dòng)機創(chuàng )造了新的機會(huì )。
BSG/ISG可替代起動(dòng)器和交流發(fā)電機功能模塊，同時(shí)增強了ICE功能。此架構有兩個(gè)電池，一個(gè)是傳統的12 V電池，另一個(gè)是48 V鋰離子電池。48 V鋰離子電池可提供更高的功率負載，如為BSG/ISG的電動(dòng)機供電的逆變器。MHEV保留了12 V電池為車(chē)輛中傳統的電子控制模塊供電，并在需要時(shí)為48 V系統提供備用低壓電子電源。MHEV為汽車(chē)原始設備制造商(OEM)提供了由傳統內燃機推進(jìn)至純電動(dòng)車(chē)(BEV)之間的的一個(gè)過(guò)渡。
隨著(zhù)更嚴格的二氧化碳排放法規推行，意味著(zhù)燃油車(chē)必須全面減少車(chē)輛的二氧化碳排放量。MHEV實(shí)施的門(mén)檻相對較低，OEM只需在現有的車(chē)輛平臺進(jìn)行一定程度的改造就可以為現有車(chē)型提供MHEV車(chē)型。MHEV可降低內燃機耗油量，從而降低車(chē)輛的二氧化碳平均排放量。BSG/ISG單元支持啟停功能、滑行或制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能源回收、ICE運行時(shí)進(jìn)行能源產(chǎn)生，以及在系統實(shí)施時(shí)進(jìn)行電力驅動(dòng)或增壓。當處于能源回收或能源產(chǎn)生模式時(shí)，BSG/ISG可作為發(fā)電機運行，向48 V電池組提供反向電流。反過(guò)來(lái)，DCDC模塊將48 V轉換為12 V，為傳統 的12 V電池充電。
MHEV是進(jìn)入EV領(lǐng)域的“軟入口”，因為在許多情況下，車(chē)主在性能或功能上與傳統ICE車(chē)輛沒(méi)有任何感知上的差別。與某些BEV車(chē)型相比，MHEV不需要任何形式的電網(wǎng)充電，可快速加燃料，也不會(huì )讓駕駛者在長(cháng)途旅行期間產(chǎn)生里程焦慮。事實(shí)上，只有當ICE在特定駕駛場(chǎng)景下關(guān)斷時(shí)，駕駛員或乘客才可能注意到MHEV的功能差異。發(fā)動(dòng)機溫度、最后一次熄火間隔時(shí)間、電池電壓電平和充電狀態(tài)、電氣負載和可實(shí)現的最低車(chē)速都是由算法監控的一些特定工況，用以確定ICE或BSG/ISG的使用情況。而這些算法決策背后的復雜性并不是本文的主題。
制造商可在車(chē)輛中有不同位置集成BSG/ISG。P0 - P4是目前指定的位置，每個(gè)位置都為系統提供不同程度的功能和設計挑戰。
圖1：BSG/ISG在車(chē)輛動(dòng)力總成中的位置
在這些不同的位置，BSG/ISG的功率輸出、與動(dòng)力總成的耦合方法以及相關(guān)功能均不相同。如之前所述，該裝置的功能包括啟停、低速時(shí)的電力驅動(dòng)、ICE的能源產(chǎn)生和能源回收。當ICE關(guān)斷時(shí)，可以在滑行或制動(dòng)期間進(jìn)行能源回收，ICE運行時(shí)則進(jìn)行能源產(chǎn)生(發(fā)電機功能)，以便為48 V鋰離子電池提供電源?？焖贋g覽這些位置，您就會(huì )發(fā)現當發(fā)動(dòng)機關(guān)斷時(shí)，P0或P1位置是無(wú)法進(jìn)行能源回收的。然而，當ICE關(guān)斷時(shí)，P2 - P4位置則可以在滑行或制動(dòng)期間回收能量，因為動(dòng)力傳動(dòng)系統的機械運動(dòng)將帶動(dòng)電動(dòng)機運轉，以實(shí)現發(fā)電功能。以下圖表列出了基于BSG/ISG在車(chē)輛中P0 - P4位置的功能變化。
表1：BSG/ISG在不同位置的功能表
BSG/ISG單元的峰值輸出功率從5 kW到25+ kW，安裝位置和耦合機制將影響該額定值。由于皮帶打滑和施加的最大扭矩，皮帶傳動(dòng)系統的功率將受到限制，而使用齒輪嚙合或直接連接至曲軸的直接傳動(dòng)系統可以實(shí)現更高的功率輸出。P0 - P4的安裝位置不僅會(huì )影響峰值功率，還會(huì )影響系統級效率。
位置P0的峰值功率受皮帶聯(lián)動(dòng)裝置的限制。能源回收或產(chǎn)生要求起動(dòng)ICE以轉動(dòng)BSG/ISG單元。而B(niǎo)SG/ISG單元的旋轉與ICE的旋轉或轉數直接相關(guān)。因此，如果ICE每分鐘轉數(RPM)由于滑行或制動(dòng)而下降，BSG為48 V電池生成的電力也會(huì )降低。這種受限的能源回收功能意味著(zhù)發(fā)動(dòng)機關(guān)斷算法將不會(huì )那么積極，也不會(huì )像其他選項那樣節省燃油。
位置P1直接連接至發(fā)動(dòng)機曲軸，且不會(huì )出現與皮帶相關(guān)的打滑現象。與位置P0相比，P1可以實(shí)現更高的峰值輸出功率和扭矩。位置P1的其余功能與P0相同。
位置P2能夠與動(dòng)力總成進(jìn)行皮帶或齒輪嚙合連接，位于ICE和變速器輸入之間。離合器系統可以嚙合或分離ICE與傳動(dòng)系統，在這個(gè)位置，傳動(dòng)系統可以與BSG/ISG實(shí)現更高的扭矩輸出和更高的速度/扭矩比。離合器還允許BSG/ISG在ICE關(guān)斷期間低速提供純電動(dòng)驅動(dòng)。能源回收功能具有真正的可再生性，因為單元與傳動(dòng)系統相連，即使在ICE關(guān)斷的情況下也能繼續旋轉。這種改進(jìn)的能源回收功能支持更積極的發(fā)動(dòng)機關(guān)斷算法，從而可以比位置P0或P1節省更多的燃料。
位置P3是變速器輸出軸上的齒輪嚙合聯(lián)動(dòng)裝置。由于與位置P0-P2相關(guān), ICE和變速箱的損耗都非常小。離合器可以讓ICE與傳動(dòng)系統斷開(kāi)，與位置P2類(lèi)似，從而在低速條件下實(shí)現電動(dòng)驅動(dòng)，并在滑行或ICE關(guān)斷期間產(chǎn)生再生能量。
位置P4是后橋或差速器上的齒輪嚙合聯(lián)動(dòng)裝置，具有位置P3的所有功能。這個(gè)位置和位置P3可以實(shí)現最大限度的能源回收。在前輪驅動(dòng)(FWD)汽車(chē)的這個(gè)位置安裝一個(gè)ISG，可以使用適當大小的鋰離子電池實(shí)現四輪驅動(dòng)(AWD)功能。
汽車(chē)制造商可以在位置P0 - P4裝置多個(gè)BSG/ISG單元。這種組合可將車(chē)輛轉換為MHEV之前，實(shí)現更多的功能，或重復使用車(chē)輛以前的平臺。最大限度地重復利用可降低過(guò)渡到MHEV拓撲結構的成本影響，對OEM和客戶(hù)都有利。
如ICE在停車(chē)時(shí)關(guān)斷，或在滑行或制動(dòng)期間關(guān)斷ICE，終端用戶(hù)將注意到MHEV的細微差別。他們會(huì )發(fā)現，如果車(chē)輛在位置P2 - P4上安裝了BSG/ISG單元，ICE 可能不會(huì )立即重啟，因為電動(dòng)驅動(dòng)將在完全停止狀態(tài)下行駛車(chē)輛。MHEV并不是BEV那樣的零排放車(chē)輛(ZEV)，但可以實(shí)現二氧化碳減排，幅度為4%至10%(Yole Développement，2020)，同時(shí)OEM可以利用車(chē)輛電氣化技術(shù)升級其車(chē)隊。無(wú)論是小小的進(jìn)步和巨大的飛躍都將產(chǎn)生累積效應，以實(shí)現更清潔的環(huán)境。在BEV能夠滿(mǎn)足所有用例需求之前，MHEV將有助于減少交通運輸對環(huán)境的影響，同時(shí)滿(mǎn)足消費者對性能的期望。
這些多功能BSG/ISG單元為MHEV注入“混合動(dòng)力”，占每年所有EV產(chǎn)量的三分之一，預其這這一比例至少保持到2026年。在復合年增長(cháng)率(CAGR)為19.8%的情況下，這些系統的數量將大幅增長(cháng)，同時(shí)加速EV車(chē)隊轉型(Strategy Analytics，2020)。
圖 2：2026年電動(dòng)汽車(chē)的電氣化分類(lèi)
設計BSG/ISG單元時(shí)需要考慮許多工程因素。模塊設計受峰值和恒定輸出功率、位置(P0 - P4)、冷卻方式和空間限制等因素的影響。對于逆變器中使用的電子控制和動(dòng)力電子設備，最大功率密度、高能效和長(cháng)期可靠性的要求都至關(guān)重要。
安森美(onsemi)提供面向汽車(chē)BGS/ISG設計的可擴展技術(shù)。該組合包括中壓MOSFET和汽車(chē)電源模塊、柵極驅動(dòng)器、穩壓電源和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )(IVN)解決方案。與安森美合作的客戶(hù)可以實(shí)現高性能解決方案，并為其BSG和ISG的應用開(kāi)發(fā)提供完整的功率方案。
參考文獻
Yole Développement，(2020年)，2020年面向電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力電子設備。
Strategic Analytics，(2020年10月)，2018至2027年汽車(chē)傳感器需求。
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