【導(dǎo)讀】汽車(chē)功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出輕度混合動(dòng)力汽車(chē) (MHEV)。作為邁向汽車(chē)功能全面電子化的重要里程碑，MHEV 成為了許多還未準(zhǔn)備好過(guò)渡到全電動(dòng)汽車(chē)的駕駛員的熱門(mén)選擇。
汽車(chē)功能電子化的關(guān)鍵步驟之一是將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出輕度混合動(dòng)力汽車(chē) (MHEV)。作為邁向汽車(chē)功能全面電子化的重要里程碑，MHEV 成為了許多還未準(zhǔn)備好過(guò)渡到全電動(dòng)汽車(chē)的駕駛員的熱門(mén)選擇。由于 12V 系統(tǒng)已接近極限，汽車(chē)行業(yè)現(xiàn)在正遷移至 48V 系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變旨在增加可用功率，減小線(xiàn)束和連接器尺寸，并支持額外的電氣設(shè)備和更高的功耗。本文為48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案指南第一部分，將介紹系統(tǒng)用途、市場(chǎng)趨勢(shì)、系統(tǒng)描述。
系統(tǒng)用途
MHEV 的混合動(dòng)力方案基于起動(dòng)發(fā)電機(jī)，而起動(dòng)發(fā)電機(jī)由 48V 鋰離子電池供電。無(wú)論是皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 還是集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)，都發(fā)揮著雙重作用，即取代傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)模塊，同時(shí)增強(qiáng) ICE 功能。
通過(guò)改動(dòng)現(xiàn)有的汽車(chē)設(shè)計(jì)，汽車(chē)制造商可以輕松實(shí)現(xiàn) 48V 輕度混合動(dòng)力技術(shù)，并將其作為新車(chē)型的標(biāo)配功能，滿(mǎn)足全球客戶(hù)的需求。MHEV 是一種更經(jīng)濟(jì)的綠色方案，在環(huán)境責(zé)任和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性之間取得了平衡，因此成為客戶(hù)的理想選擇。
在減少燃油車(chē)排放和提高燃油效率方面，起動(dòng)發(fā)電機(jī)一直是 48V 系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。此外，還有其他減排技術(shù)，包括電動(dòng)渦輪增壓器、廢氣再循環(huán) (EGR) 泵和電加熱催化劑。電壓越高，耗電組件的工作效率就越高。
市場(chǎng)趨勢(shì)
近年來(lái)，48V 配件已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 應(yīng)用市場(chǎng)。電壓更高的配件可提供與 BEV 配件相同的優(yōu)勢(shì)，而 800V 的系統(tǒng)在 BEV 中的應(yīng)用尚不成熟。隨著汽車(chē)逐漸采用 48V 電源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的 12V 配件將遷移至 48V 總線(xiàn)，這一轉(zhuǎn)變將從系統(tǒng)中的最高負(fù)載開(kāi)始。
在全球范圍內(nèi)，MHEV 市場(chǎng)一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度不如 BEV 和插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (PHEV) 市場(chǎng)。這表明，消費(fèi)者更喜歡能夠從電網(wǎng)獲取電力的汽車(chē)。然而，由于 MHEV 更便宜、更方便且不需要充電站，所以在全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中仍然占有很大的份額。
系統(tǒng)描述
輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (MHEV) 中的起動(dòng)發(fā)電機(jī)
MHEV 是一種將內(nèi)燃機(jī) (ICE) 與 5kW 至 25kW 電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的汽車(chē)，這種組合也稱(chēng)為皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG) 或集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG)。BSG/ISG 有效地結(jié)合了起動(dòng)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的功能，創(chuàng)造出 MHEV 混合動(dòng)力汽車(chē)。
將 BSG/ISG 應(yīng)用于 ICE 汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)額外的功能，例如：起停、滑行/制動(dòng)期間的能量回收、從 ICE 產(chǎn)生能量，甚至根據(jù)車(chē)輛的不同情況實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)（或助力）。這些功能運(yùn)行起來(lái)非常平順，駕駛員甚至可能不會(huì)注意到所駕駛的 MHEV 與傳統(tǒng) ICE 汽車(chē)有何不同，除非在使用過(guò)程中 ICE 關(guān)斷。
功能和性能取決于 BSG/ISG 在動(dòng)力總成中的位置。圖 1 顯示了起動(dòng)發(fā)電機(jī)在 MHEV 動(dòng)力總成中的潛在放置位置。下頁(yè)的表 1 詳細(xì)列出了每個(gè)位置的技術(shù)功能。隨著技術(shù)功能的增多，集成成本和復(fù)雜性也在增加。P0 - P4 是目前指定的位置，對(duì)系統(tǒng)而言，每個(gè)位置都有不同程度的功能和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。位置還決定了所用的設(shè)備是 BSG（P0，可能還有 P2）還是 ISG（P1，可能還有 P2、P3 和 P4）。
圖 1：輕度混合動(dòng)力起動(dòng)發(fā)電機(jī)的拓?fù)浼捌湓谲?chē)輛動(dòng)力總成中的位置。
P0 – 皮帶傳動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī) (BSG)
P1 – 曲軸起動(dòng)發(fā)電機(jī)
P2 – 變速箱輸入軸 → BSG/ISG
P3 – 變速箱輸出軸 → ISG
P4 – 后橋或差速器上的驅(qū)動(dòng)裝置 → ISG
如果安裝在 P0 或 P1 處，則設(shè)備的功能僅限于起停和能量回收。雖然 P0 和 P1 位置是更容易集成此類(lèi)設(shè)備的地方，但這里的減排效益最低，因?yàn)?ICE 不運(yùn)轉(zhuǎn)的話(huà)就沒(méi)有能量回收。受皮帶打滑和最大作用扭矩的影響，皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的功率將受到限制。相比之下，采用齒輪嚙合的直接傳動(dòng)集成或直接連接到曲軸可以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。
在 P2、P3 和 P4 位置中，ICE 可以與傳動(dòng)系統(tǒng)斷開(kāi)，從而在低速條件下實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)，并在 ICE 關(guān)斷的滑行或制動(dòng)期間產(chǎn)生再生能量。
能量回收功能具有真正的可再生性，因?yàn)槠饎?dòng)發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，即使在 ICE 關(guān)斷的情況下也能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置 P3 和 P4 可實(shí)現(xiàn)最大能量回收。在前輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的 P4 位置安裝 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)功能。
輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV)中的起動(dòng)發(fā)電機(jī)
BSG/ISG 設(shè)備的安裝位置和耦合機(jī)構(gòu)將影響峰值輸出功率（從 5kW 到 25kW）。如果安裝在 P0 或 P1 處，則功能僅限于起停和能量回收。表 1 顯示了起動(dòng)發(fā)電機(jī)在不同位置的概況及其增加的功能。
位置 P0 的峰值功率受皮帶聯(lián)動(dòng)裝置的限制。為了驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要 ICE 處于開(kāi)啟狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)能量回收或發(fā)電。
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，因此與 P0 相比，峰值輸出功率和扭矩更高。
當(dāng) ISG 位于傳動(dòng)系統(tǒng)中更靠后的位置 (P2-P4) 時(shí)，在 ISG 用作發(fā)電機(jī)的滑行或制動(dòng)期間，可以進(jìn)行能量回收。即使 ICE 關(guān)斷，車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)也會(huì)帶動(dòng)后橋或傳動(dòng)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于 ISG 現(xiàn)在獨(dú)立于 ICE，因此可以采用更激進(jìn)的 ICE 關(guān)斷算法，從而進(jìn)一步減少二氧化碳排放。在這些位置上可以實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)，這意味著 ISG 在發(fā)揮電機(jī)功能的同時(shí)，還能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛移動(dòng)。這在走走停停的交通狀況下非常有用，而且也有助于從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)車(chē)輛，然后在需要提高車(chē)速時(shí)再啟動(dòng) ICE。
表 1：基于 MHEV 內(nèi) P0-P4 位置的功能變化。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器
MHEV 通常有兩個(gè)電池：“傳統(tǒng)”的 12V 鉛酸電池和 48V 鋰離子 (Li-Ion) 電池。當(dāng)處于能量回收或發(fā)電模式時(shí)，BSG/ISG 為 48V 電池組充電，DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 12V 和 48V 電網(wǎng)連接在一起。
12V 電池為許多“傳統(tǒng)”系統(tǒng)供電，例如信息娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和安全系統(tǒng)，而 48V 電池則為更高負(fù)載供電，例如電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)渦輪增壓器、泵、懸架和暖通空調(diào)。48V 電池還為 BSG/ISG 供電，以啟動(dòng)車(chē)輛或提供電力助力/驅(qū)動(dòng)。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常為雙向設(shè)計(jì)，功率從 1 kW 到 3 kW 不等（降壓模式為 3kW，升壓模式為 1kW）。最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非隔離雙向同步降壓轉(zhuǎn)換器。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器雖然設(shè)計(jì)為用于 12V 和 48V 標(biāo)稱(chēng)電池電壓，但必須具備在標(biāo)稱(chēng)電壓范圍外運(yùn)行的能力，從而為高于和低于標(biāo)稱(chēng)電壓的工作電壓留出空間。電壓會(huì)因電池充電狀態(tài)和其他因素而發(fā)生變化。
ISO 21780:2020 規(guī)定的 48V 系統(tǒng)電壓水平
標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)
國(guó)際功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262 是公路車(chē)輛電氣和電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是最大限度地降低車(chē)輛系統(tǒng)故障帶來(lái)的安全隱患，涵蓋軟件故障、傳感器失靈和硬件故障等潛在危險(xiǎn)。
專(zhuān)用于電動(dòng)汽車(chē) 48V 系統(tǒng)、組件及其測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)，最早使用的是 LV148 標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)改用德國(guó) VDA320 標(biāo)準(zhǔn)。目前是用 ISO 21780:2020 標(biāo)準(zhǔn)取代了 VDA320。電動(dòng)汽車(chē)安全和測(cè)試方面的其他標(biāo)準(zhǔn)包括 ISO 6469、ISO 21498。
48V 電網(wǎng)上的組件冗余對(duì)于確保電氣系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性至關(guān)重要。這將成為 48V 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和普及的推動(dòng)因素之一。如果單個(gè)組件發(fā)生故障，冗余元件可作為備用，防止整個(gè)系統(tǒng)中斷。這對(duì)于安全攸關(guān)的系統(tǒng)（例如控制制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和安全氣囊的系統(tǒng)）尤其重要。
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