【導(dǎo)讀】一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，內(nèi)燃機(jī)(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(jī)(BSG)或啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)(ISG)是EV發(fā)展里程當(dāng)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(jī)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。
BSG/ISG可替代起動(dòng)器和交流發(fā)電機(jī)功能模塊，同時(shí)增強(qiáng)了ICE功能。此架構(gòu)有兩個(gè)電池，一個(gè)是傳統(tǒng)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(fù)載，如為BSG/ISG的電動(dòng)機(jī)供電的逆變器。MHEV保留了12 V電池為車(chē)輛中傳統(tǒng)的電子控制模塊供電，并在需要時(shí)為48 V系統(tǒng)提供備用低壓電子電源。MHEV為汽車(chē)原始設(shè)備制造商(OEM)提供了由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)至純電動(dòng)車(chē)(BEV)之間的的一個(gè)過(guò)渡。
隨著更嚴(yán)格的二氧化碳排放法規(guī)推行，意味著燃油車(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(duì)較低，OEM只需在現(xiàn)有的車(chē)輛平臺(tái)進(jìn)行一定程度的改造就可以為現(xiàn)有車(chē)型提供MHEV車(chē)型。MHEV可降低內(nèi)燃機(jī)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(yùn)行時(shí)進(jìn)行能源產(chǎn)生，以及在系統(tǒng)實(shí)施時(shí)進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng)或增壓。當(dāng)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(jī)運(yùn)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(zhuǎn)換為12 V，為傳統(tǒng) 的12 V電池充電。
MHEV是進(jìn)入EV領(lǐng)域的“軟入口”，因?yàn)樵谠S多情況下，車(chē)主在性能或功能上與傳統(tǒng)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(zhǎng)途旅行期間產(chǎn)生里程焦慮。事實(shí)上，只有當(dāng)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(jī)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(fù)載和可實(shí)現(xiàn)的最低車(chē)速都是由算法監(jiān)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(fù)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(tǒng)提供不同程度的功能和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
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(qū)動(dòng)、ICE的能源產(chǎn)生和能源回收。當(dāng)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(yùn)行時(shí)則進(jìn)行能源產(chǎn)生(發(fā)電機(jī)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(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)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?yàn)閯?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)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(jī)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(tǒng)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(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)級(jí)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(zhuǎn)動(dòng)BSG/ISG單元。而B(niǎo)SG/ISG單元的旋轉(zhuǎn)與ICE的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)。因此，如果ICE每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(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發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)斷算法將不會(huì)那么積極，也不會(huì)像其他選項(xiàng)那樣節(jié)省燃油。
位置P1直接連接至發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，且不會(huì)出現(xiàn)與皮帶相關(guān)的打滑現(xiàn)象。與位置P0相比，P1可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可以嚙合或分離ICE與傳動(dòng)系統(tǒng)，在這個(gè)位置，傳動(dòng)系統(tǒng)可以與BSG/ISG實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)。能源回收功能具有真正的可再生性，因?yàn)閱卧c傳動(dòng)系統(tǒng)相連，即使在ICE關(guān)斷的情況下也能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種改進(jìn)的能源回收功能支持更積極的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)斷算法，從而可以比位置P0或P1節(jié)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(tǒng)斷開(kāi)，與位置P2類(lèi)似，從而在低速條件下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)驅(qū)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(xiàn)最大限度的能源回收。在前輪驅(qū)動(dòng)(FWD)汽車(chē)的這個(gè)位置安裝一個(gè)ISG，可以使用適當(dāng)大小的鋰離子電池實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)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(zhuǎn)換為MHEV之前，實(shí)現(xiàn)更多的功能，或重復(fù)使用車(chē)輛以前的平臺(tái)。最大限度地重復(fù)利用可降低過(guò)渡到MHEV拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成本影響，對(duì)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(xì)微差別。他們會(huì)發(fā)現(xiàn)，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?yàn)殡妱?dòng)驅(qū)動(dòng)將在完全停止?fàn)顟B(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(xiàn)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(jí)其車(chē)隊(duì)。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(yīng)，以實(shí)現(xiàn)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(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)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(yù)其這這一比例至少保持到2026年。在復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)為19.8%的情況下，這些系統(tǒng)的數(shù)量將大幅增長(zhǎng)，同時(shí)加速EV車(chē)隊(duì)轉(zhuǎn)型(Strategy Analytics，2020)。
圖 2：2026年電動(dòng)汽車(chē)的電氣化分類(lèi)
設(shè)計(jì)BSG/ISG單元時(shí)需要考慮許多工程因素。模塊設(shè)計(jì)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(duì)于逆變器中使用的電子控制和動(dòng)力電子設(shè)備，最大功率密度、高能效和長(zhǎng)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(shè)計(jì)的可擴(kuò)展技術(shù)。該組合包括中壓MOSFET和汽車(chē)電源模塊、柵極驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)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(xiàn)高性能解決方案，并為其BSG和ISG的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供完整的功率方案。
參考文獻(xiàn)
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(shè)備。
Strategic Analytics，(2020年10月)，2018至2027年汽車(chē)傳感器需求。
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