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采用高能效方案迈向轻度混合动力电动汽车

2021-05-21 Jay Nagle,汽车产品高级营销工程师,安森美半导体 阅读:
低压轻度混合动力电动汽车(MHEV)方案有诸多的优势:这种系统是内燃机(ICE)的补充;额外的48V总线支持发动机舱中日益增长的各类电气化的功能,比如电动泵。而对于48V总线,它被归类为低压系统,其线束要求也因此降低。

随着汽车行业全电动化的持续发展,基于48V系统的轻度混合动力电动汽车(MHEV)架构的潜力正在汽车行业中得到充分的体现。在未来的五年里,汽车行业预计在我们的道路上行驶的MHEV数量将以每年30%的速度增长,许多领先的汽车制造商要么已经在销售MHEV,要么计划在不久的将来推出MHEV。预计到2025年以后,MHEV将占到所有车辆的10%左右。oJSednc

MHEV配置构成了整个电动汽车版图的一部分,并填补了传统的12V内燃机车(ICE)和纯电动汽车(BEV)之间的差距(图1)。oJSednc

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1:整个电动汽车格局涵盖从简单的12V辅助系统到(来源:YoleoJSednc

这种低压MHEV方案有诸多的优势:这种系统是内燃机(ICE)的补充;额外的48V总线支持发动机舱中日益增长的各类电气化的功能,比如电动泵。而对于48V总线,它被归类为低压系统,其线束要求也因此降低。oJSednc

考虑到所有这些因素,人们对MHEV的兴趣与日俱增,不仅是因为它可帮助降低传统ICE的污染物排放,更重要的是它能以合理的成本使汽车排放符合更严苛的法规。仅此一点,就足以保证MHEV技术的持续采用,以及同时向全电动的更长期转变。MHEV的另一个主要优势是它不依赖外部电源,它是一个完全封闭、自充电的系统,当ICE处于重负时可以提供额外的动力。这足以增加每升公里数(km/L),从而减少温室气体排放。据估计,采用了MHEV系统的车辆同比可减少燃油排放多达10%。oJSednc

实现轻度混合动力

如上所述,MHEV使用电机来对ICE提供辅助,而不是像全电动汽车那样用它来提供所有动力。然而,这并不是说ICE需要一直运行——在最近的例子中,取决于拓扑结构,电机可以在低速条件下在有限时间内提供所有所需的动力。当车辆减速或制动时,电机将工作模式切换到发电机(回收)模式而为48V电池充电。随着基础技术的改进,所用电机的输出功率从15kW增加到30kW,轻度混合动力系统将能够承担更多的动力输出。oJSednc

当制造商将MHEV技术应用到现有的ICE动力传动系统时,有多种方案可供选择。似乎大多数制造商所青睐的方法是,在变速箱的发动机一侧,用皮带传动将电动机连接到曲轴上。这意味着电动机的转速与发动机曲轴相同,而与传动轴的转速不同。这也意味着电机可以通过离合器与传动轴耦合,就像内燃机(ICE)和传动轴通过离合器耦合一样。oJSednc

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图2:MHEV系统的主架构oJSednc

这种架构被称为皮带传动一体化起动/发电机(BSG),通常称为P0,如2所示。这表明电机是通过皮带连接到曲轴上的,在启停系统中可以用来启动发动机,而不是像使用12V总线和传统启动电机的系统一样。这样做的好处是,由于发动机重启的速度更快,这样可以提供更高的启动扭矩并带来更好的用户体验。另外,因为48V电机同时用来给48V电池充电,所以它也是一个发电机。oJSednc

在大多数系统中,48V总线是现有12V系统的辅助,这意味着车上仍然有12V电池。然而,48V系统通常可以通过DC-DC转换器来对12V系统进行补充,这个转换器是重要的新增补充系统,这也需要考虑。oJSednc

提供MHEV系统的各组成部分

在MHEV中,电气系统采用两种电压总线。12V总线继续为低功率系统提供电力,而48V总线则用于大功率电机——例如现在用于动力转向、空调和自适应悬架的电机——以及为连接到传动系统的电机提供动力。虽然在汽车中使用48V总线电压并不是全新的技术,但其CO2减排成本比纯电动方式更低,因此成为了更新系统的动力。oJSednc

如前所述,MHEV所涉及的电气系统通常包括一个DC-DC转换器而用来连接两种总线。如果采用的电动机为交流感应电动机,则系统还会包括一个逆变器(见3)。由于MHEV不是插电式系统,因此不需要车载充电电路,但该领域已在发展,因此未来可能会看到基于48V系统的全混合动力汽车。oJSednc

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图3:带DC-AC逆变器的48V/12V系统(来源:Yole)oJSednc

安森美半导体专注于汽车和电源解决方案,能够满足所有48V MHEV应用的需求。燃油效率的提高与系统设计的各个方面有关,包括电气性能、DC-DC转换中所用元件的尺寸和重量。安森美半导体由于可以提供较小封装、额定电压在80V以上的各类MOSFET,因此可以实现较小体积的方案和较低的系统成本,并满足汽车制造商所需的高散热性能。在这些应用中,电气效率是一个关键要求,它和开关晶体管的导通电阻直接相关,而导通电阻会影响系统中的导通损耗。其他关键的优点包括晶体管的开关速度,这也会影响整体功率损耗。众所周知,安森美半导体在这方面拥有行业领先的技术,并且还有栅极驱动方案相辅相成。将它们结合起来,就可以得到一个优化的电源拓扑结构。oJSednc

这一专长在安森美半导体生产的汽车电源模块(APM)中也得到了体现,它具有全桥和半桥配置或集成了三相逆变电路。APM采用直接键合铜(DBC)衬底材料的压铸模封装,具有低热阻和高可靠性,可以承受车辆环境里固有的振动和机械应力。由于这些模块是为汽车应用而设计的,因此用它们实现MHEV系统变得更加简单。采用安森美半导体APM的另一个主要好处是可在很小的占位面积内提供高功率密度,这就可减少整个系统的总重量,从而进一步减轻发动机的负担,这也有助于降低排放。oJSednc

除功率晶体管和模块以外,安森美半导体还能提供所需的辅助元件,如运算放大器、高速数字隔离器和电子熔断器(eFuse),以及车载网络收发器。oJSednc

总结

对于汽车制造商来说,决定采用轻度混合动力技术应该比较简单。根据拓扑结构的不同,它只需要增加30%的成本,就能提供全混合动力系统70%的好处。此外,由于这类系统的设计目的是在ICE之外运行,因此其没有由电动汽车引起的消费者所担忧的那些问题,比如续航焦虑。从消费者的角度来看,转向采用轻度混合动力技术除了降低排放和明显提高燃油效率的好处外,并没有其他明显影响。oJSednc

随着美洲、亚洲和欧洲越来越多的国家颁布降低排放的规定,汽车制造商面临着降低排放和提高燃油能效的任务;这些要求与MHEV技术完美的同步。对于许多制造商来说,48V轻度混合动力系统是一个入门级的技术,我们期待着在短期内会有更多的厂商采用这项技术。oJSednc

安森美半导体凭借其针对汽车优化、广泛的电源方案组合,在满足目前业界发展节能方案的需要上处于有利地位。业界对能效的关注延伸到MHEV技术,安森美半导体在为实现MHEV提供汽车行业所需方案方面已经有良好的记录。oJSednc

(原文标题:Moving towards Mild Hybrid Electric Vehicles through power efficient solutions。)oJSednc

本文为《电子技术设计》2021年5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oJSednc

责编:赵明灿oJSednc

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