以高能效方案打造MHEV

作者 : Jay Nagle,安森美半導體(ON Semiconductor)汽車產品資深行銷工程師

隨著不斷朝向純電動車的發展趨勢,汽車產業正完全擁抱基於48V系統的輕度混合動力車(MHEV)架構所提供的潛力…

隨著不斷朝向純電動車的發展趨勢,汽車產業正完全擁抱基於48V系統的輕度混合動力車(MHEV)架構所提供的潛力。未來五年,業內人士預計,路上的MHEV數量將以每年30%的速度成長,許多領先的汽車製造商已經出售或計畫在不久的將來推出MHEV,到2025年以後,預計MHEV將佔所有車輛的10%左右。

MHEV配置構成整個電動車(EV)格局的一部分,並填補了傳統的基於12V內燃機(ICE)車輛和電池電動車(BEV)之間的空白(圖1)。

 

圖1:整個電動車格局涵蓋了從簡單的12V輔助系統到純電的情況。

(來源:Yole Développement)

 

這低電壓航路點有很多優勢:這些系統與ICE可為互補;添加48V匯流排支援發動機艙中各種功能的日益電氣化,如電動泵;48V屬於低電壓系統,因而其線束要求就降低了。

考慮到所有這些因素,人們對MHEV的興趣與日俱增,這不僅是因為它可幫助降低傳統ICE的污染物排放,現在更必要的是為了以合理的成本符合更廣泛的法規。僅此一點,就能確保產業將繼續採用MHEV技術,同時更是從更長遠來看朝向純電動車過渡。MHEV的另一個主要優勢是它不依賴外部電源,它是個全包含的自充電系統,用於在ICE重載時提供額外的電源。這足以增加km/ltr,從而減少溫室氣體排放。據估計,MHEV的增加可減少車輛排放多達10%。

建立輕度混合動力輔助

如概述所言,MHEV使用馬達來輔助ICE,而不是提供全驅動(純電動車可能是提供全驅動)。但這並不意味著ICE需要一直運作,在最近的範例中,馬達可在低速條件下在有限的時間內提供所需的全驅動,這取決於拓撲(Topology)結構。當車輛減速或剎車時,馬達會切換模式(能量回收)以充當發電機為48V電池充電。隨著基礎技術的改進,以及所用馬達的功率輸出超過15kW並達到30kW,MHEV將能承擔更多的總功率。

在將MHEV技術應用於現有ICE傳動系統時,有多種選項供製造商選用。大多數製造商偏愛的方法似乎是使用齒輪箱發動機側的皮帶驅動器將馬達連接到曲軸,這意味著馬達的旋轉速度與發動機曲軸的旋轉速度相同,而不同於傳動軸的旋轉速度。這也意味著馬達可透過離合器與傳動軸隔離,就像隔離ICE一樣。

 

圖2:MHEV系統的主架構。

 

這種架構稱為皮帶啟動發電機(BSG),常稱為P0,如圖2所示。這表示馬達透過皮帶連接到曲軸,也可以用於啟停系統中啟動馬達,代替使用12V匯流排和傳統啟動馬達。這樣做的好處是,較高的扭力可帶來更好的用戶體驗,因為發動機的重啟速度更快。另外,由於48V馬達也用於為48V電池充電,因此它也是發電機。

在大多數系統中,48V匯流排是現有12V系統的輔助系統,這意味著板上仍然有12V電池。但48V系統通常能夠透過DC-DC轉換器補充12V系統,這是個重要的補充,也需要考慮。

提供MHEV系統的建構元件

在MHEV中,電氣系統採用兩條電壓匯流排。12V匯流排繼續為低功率系統提供電源,而48V匯流排則保留用於大功率馬達,如現在用於動力轉向、空調和自我調整懸架,以及為連接到傳動系統的馬達供電。儘管在車輛中使用48V匯流排電壓並不是全新的,但更新的動力來自在降低CO2排放方面,48V的成本低於電池電動車。

如前所述,所涉及的電氣系統通常包括一個DC-DC轉換器,以連結兩個匯流排。如果使用的馬達是交流感應馬達,則系統還將包括一個逆變器(圖3)。由於MHEV系統不是插入式的,因此不需要車載充電器電路,但是該領域已有發展,可能會看到基於48V系統的全混合動力車。

 

圖3:一個內建DC-AC逆變器的48V/12V系統。

(來源:Yole Développement)

 

可實現的燃油能效提高與系統設計的各個方面相關,包括電氣性能、DC-DC轉換中使用的元件的尺寸和重量。採用額定值為80V及以上的廣泛的小封裝MOSFET系列,其結果是方案更小,系統成本更低,具有汽車製造商需要的高的熱性能。在這些應用中,電氣能效是至關重要的要求,直接與開關電晶體的導通電阻有關,導通電阻會影響系統中的傳導損耗。其他關鍵性能指標包括電晶體的開關速度,這也會影響整體功率損耗,安森美半導體在這方面具有領先的技術,輔以其閘極驅動方案,它們也共同創建最佳化的電源拓撲。

這專業知識在汽車功率模組(APM)中,提供全橋和半橋架構或整合的三相逆變器電路清楚展現。APM採用直接覆銅(DBC)基板材料的壓鑄模封裝,具有高可靠性和低熱阻,可承受車輛環境中固有的振動和機械應力。由於這些模組是為汽車應用而設計,因此將它們用於MHEV系統的建構元件變得更簡單。使用APM的另一個主要優點是,它們在較小的佔位空間內提供高功率密度,這減輕整個系統的總重量,從而進一步減輕了發動機的負擔,這也有助於降低排放。

除了功率電晶體和模組以外,安森美半導體還能夠提供所需的輔助元件,如運算放大器、高速數位隔離器和eFuse,以及車載網路收發器。

結論

對於汽車製造商而言,實施輕度混合動力技術的決定應相對簡單。根據拓撲的不同,這提供全混合動力系統約70%的益處,而成本僅增加30%。此外,由於這些系統被設計為除ICE之外還可以運作,因此它們不受制於電動車所涉及的消費者問題,如里程焦慮(range anxiety)。從消費者的角度來看,邁向MHEV並沒有明顯的影響,除了降低排放和明顯提高燃油能效的正向優點。

隨著美洲、亞洲和歐洲越來越多的國家頒佈減少排放的指令,汽車製造商的任務是減少排放和提高燃油能效。與MHEV技術完美同步,48V輕度混合動力系統是許多製造商可切入的點,且人們期望在不久的將來會有更多的人採用該技術。

安森美半導體擁有針對汽車應用而最佳化的廣泛電源配置陣容,滿足當今產業開發高能效方案的需求。該公司對電源能效的關注擴展到了MHEV技術,並在提供汽車產業實現MHEV所需的方案已有經得起考驗的歷史記錄。

 

 

 

 

 

 

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