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什么是皮带传动启动电机或启动发电一体化电机?

2021-09-30 Marc Bracken,汽车系统工程部技术营销工程师,安森美 阅读:
皮带传动启动电机(BSG)或启动发电一体化电机(ISG)是电动汽车发展里程当中的一种解决方案。BSG/ISG与内燃机的组合创造了一种轻度混合动力汽车(MHEV),这种混合动力解决方案为电子模块和电动机创造了新的机会。

一个多世纪以来,内燃机(ICE)一直是全球汽车工业的推进主力。汽车电气化的创新正在将汽车改进为拥有更先进技术的交通解决方案。然而,并不是所有的EV都是一样的,显而易见,目前的几种混动的动力总成和纯电动的动力总成是不同的。Eyqednc

皮带传动启动电机(BSG)或启动发电一体化电机(ISG)是电动汽车(EV)发展里程当中的一个解决方案。BSG/ISG与ICE的组合创造了一种轻度混合动力汽车(MHEV),这种混合动力解决方案为电子模块和电动机创造了新的机会。BSG/ISG可替代启动器和交流发电机功能模块,同时增强了ICE功能。此架构有两个电池,一个是传统的12V电池,另一个是48V锂离子电池。48V锂离子电池可提供更高的功率负载,如为BSG/ISG的电动机供电的逆变器。MHEV保留了12V电池为车辆中传统的电子控制模块供电,并在需要时为48V系统提供备用低压电子电源。MHEV为汽车原始设备制造商(OEM)提供了由传统内燃机推进至纯电动车(BEV)之间的的一个过渡。Eyqednc

随着更严格的二氧化碳排放法规推行,燃油车必须全面减少车辆的二氧化碳排放量。MHEV实施的门槛相对较低,OEM只需在现有的车辆平台进行一定程度的改造就可以为现有车型提供MHEV车型。MHEV可降低内燃机耗油量,从而降低车辆的二氧化碳平均排放量。BSG/ISG单元支持启停功能、滑行或制动时进行能量回收、ICE运行时进行能量产生,以及在系统实施时进行电力驱动或增压。当处于能量回收或能量产生模式时,BSG/ISG可作为发电机运行,向48V电池组提供反向电流。反过来,DC/DC模块将48V转换为12V,为传统的12V电池充电。Eyqednc

MHEV是进入EV领域的“温和入口”,因为在许多情况下,车主在性能或功能上与传统ICE车辆没有任何感知上的差别。与某些BEV车型相比,MHEV不需要任何形式的电网充电,可快速加燃料,也不会让驾驶者在长途旅行期间产生里程焦虑。事实上,只有当ICE在特定驾驶场景下关断时,驾驶员或乘客才可能注意到MHEV的功能差异。发动机温度、最后一次熄火间隔时间、电池电压电平和充电状态、电气负载和可实现的最低车速,都是由算法监控的一些特定工况,用以确定ICE或BSG/ISG的使用情况。而这些算法决策背后的复杂性并不是本文的主题。Eyqednc

制造商可在车辆中有不同位置集成BSG/ISG。P0-P4是目前指定的位置,每个位置都为系统提供不同程度的功能和设计挑战(1)。Eyqednc

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1BSG/ISG在车辆动力总成中的位置Eyqednc

在这些不同的位置,BSG/ISG的功率输出、与动力总成的耦合方法以及相关功能均不相同。如之前所述,该装置的功能包括启停、低速时的电力驱动、ICE的能量产生和能量回收。当ICE关断时,可以在滑行或制动期间进行能量回收,ICE运行时则进行能量产生(发电机功能),以便为48V锂离子电池提供电源。快速浏览这些位置,您就会发现当发动机关断时,P0或P1位置是无法进行能量回收的。然而,当ICE关断时,P2-P4位置则可以在滑行或制动期间回收能量,因为动力传动系统的机械运动将带动电动机运转,以实现发电功能。1列出了基于BSG/ISG在车辆中P0-P4位置的功能变化。Eyqednc

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1BSG/ISG在不同位置的功能表Eyqednc

BSG/ISG单元的峰值输出功率从5kW到25kW以上,安装位置和耦合机制将影响该额定值。由于皮带打滑和施加的最大扭矩,皮带传动系统的功率将受到限制,而使用齿轮啮合或直接连接至曲轴的直接传动系统,可以实现更高的功率输出。P0-P4的安装位置不仅会影响峰值功率,还会影响系统级效率。Eyqednc

位置P0的峰值功率受皮带联动装置的限制。能量回收或产生要求启动ICE以转动BSG/ISG单元。而BSG/ISG单元的旋转与ICE的旋转或转数直接相关。因此,如果ICE每分钟转数(RPM)由于滑行或制动而下降,BSG为48V电池生成的电力也会降低。这种受限的能量回收功能意味着发动机关断算法将不会那么积极,也不会像其他选项那样节省燃油。Eyqednc

位置P1直接连接至发动机曲轴,且不会出现与皮带相关的打滑现象。与位置P0相比,P1可以实现更高的峰值输出功率和扭矩。位置P1的其余功能与P0相同。Eyqednc

位置P2能够与动力总成进行皮带或齿轮啮合连接,位于ICE和变速器输入之间。离合器系统可以啮合或分离ICE与传动系统,在这个位置,传动系统可以与BSG/ISG实现更高的扭矩输出和更高的速度/扭矩比。离合器还允许BSG/ISG在ICE关断期间低速提供纯电动驱动。能量回收功能具有真正的可再生性,因为单元与传动系统相连,即使在ICE关断的情况下也能继续旋转。这种改进的能量回收功能支持更积极的发动机关断算法,从而可以比位置P0或P1节省更多的燃料。Eyqednc

位置P3是变速器输出轴上的齿轮啮合联动装置。由于与位置P0-P2相关,ICE和变速箱的损耗都非常小。离合器可以让ICE与传动系统断开,与位置P2类似,从而在低速条件下实现电动驱动,并在滑行或ICE关断期间产生再生能量。Eyqednc

位置P4是后桥或差速器上的齿轮啮合联动装置,具有位置P3的所有功能。这个位置和位置P3可以实现最大限度的能量回收。在前轮驱动(FWD)汽车的这个位置安装一个ISG,可以使用适当大小的锂离子电池实现四轮驱动(AWD)功能。Eyqednc

汽车制造商可以在位置P0-P4提供多个BSG/ISG单元。这种组合可将车辆转换为MHEV之前,实现更多的功能,或重复使用车辆以前的平台。最大限度地重复利用可降低过渡到MHEV拓扑结构的成本影响,对OEM和客户都有利。Eyqednc

如ICE在停车时关断,或在滑行或制动期间关断ICE,终端用户将注意到MHEV的细微差别。他们会发现,如果车辆在位置P2-P4上安装了BSG/ISG单元,ICE可能不会立即重启,因为电动驱动将在完全停止状态下行驶车辆。MHEV并不是BEV那样的零排放车辆(ZEV),但可以实现二氧化碳减排,幅度为4%至10%(Yole Développement,2020),同时OEM可以利用车辆电气化技术升级其车队。无论是小小的进步和巨大的飞跃都将产生累积效应,以实现更清洁的环境。在BEV能够满足所有用例需求之前,MHEV将有助于减少交通运输对环境的影响,同时满足消费者对性能的期望。Eyqednc

这些为MHEV注入“混合动力”的多功能BSG/ISG单元,将占每年所有EV产量的三分之一,并且这一比例将至少保持到2026年(2)。在复合年增长率(CAGR)为19.8%的情况下,这些系统的数量将大幅增长,同时加速EV车队转型(Strategy Analytics,2020)。Eyqednc

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22026年电动汽车的电气化分类Eyqednc

设计BSG/ISG单元时需要考虑许多工程因素。模块设计受峰值和恒定输出功率、位置(P0-P4)、冷却方式和空间限制等因素的影响。对于逆变器中所使用的电子控制和电力电子器件,最大功率密度、高能效和长期可靠性的要求都至关重要。Eyqednc

安森美提供面向汽车BGS/ISG设计的可扩展技术。该组合包括中压MOSFET和汽车电源模块、栅极驱动器、稳压电源和车载网络(IVN)解决方案。与安森美合作的客户可以实现高性能解决方案,并为其BSG和ISG的应用开发提供完整的功率方案。Eyqednc

参考文献

Yole Développement. (2020). Power Electronics for Electric & Hybrid Electric Vehicles 2020.Eyqednc

Strategic Analytics. (2020, October). Automotive Sensor Demand 2018-2027.Eyqednc

(原文标题:What is a Belt or Integrated Starter Generator?。责编:赵明灿。)Eyqednc

本文为《电子技术设计》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Eyqednc

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