采用高能效方案迈向轻度混合动力电动汽车

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。

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：整个EV格局涵盖从简单的12 V辅助系统到纯电动（来源：Yole）

这种低压的MHEV系统有诸多的优势：该系统是内燃机 (ICE) 的补充；额外的48 V总线支持发动机舱中的日益增长的各类电气化的各种功能，比如电动泵。而对于48 V母线，它被归类于低压系统，其线束要求也因此降低。

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，就足以保证了MHEV技术的持续采用与更长期的向全电动转变同步进行。

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 / ltr) ，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％。

实施轻度混合动力辅助

如上所述，MHEV使用一个电机来辅助ICE，而不是像全电动汽车那样提供所有的动力。然而，这并不意味着ICE需要一直运行，在最近的例子中，取决于拓扑结构，电动马达可以在低速条件下的有限时间内提供所需的所有驱动。当车辆减速或制动时，电机切换工作模式 (恢复) 到发电机模式为48 V电池充电。随着基础技术的改进，使用的电机的输出功率从15 kW增加到30 kW，轻度混合动力系统将能够承担更多的动力输出。

当制造商将MHEV技术应用到现有的ICE动力传动系统时，有多种选项可供选择。大多数制造商似乎青睐的方法是，在变速箱的发动机一侧，用皮带驱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的曲轴相同，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偶和一样。

图2：MHEV系统的主架构

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，如图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总线和传统的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48 V电机同时用来给48 V电池充电，所以它也是一个发电机。

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

提供MHEV系统的构建块

在MHEV中，电气系统采用两个电压母线。12 V母线继续为低功率系统提供电力，而48 V母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，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48 V总线电压并不是全新的技术，但其降低CO2的成本比纯电动的方式更低，这成为了更新系统的动力 (动力来自于比纯电动汽车更低成本的二氧化碳减排)。

如前所述，MHEV所涉及的电气系统通常包括一个DC-DC转换器以连接两个总线。 如果采用的电动机为交流感应电动机，则系统还将包括一个逆变器 (见图3)。 由于MHEV不是插电式的系统，因此不需要车载充电电路，但该领域已在发展，可能会看到基于48 V系统的全混合动力汽车。

图3：一个带DC-AC逆变器的48 V/12 V系统 (来源：Yole)

安森美半导体专注于汽车和电源解决方案，能够满足所有48 V 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转换中使用的元件的尺寸和重量。安森美半导体可以提供小封装，额定电压在80 V以上的各类MOSFET，可以带来一个更小体积的方案和更低的系统成本，并满足汽车制造商所需要的高效的热性能。

在这些应用中，电气效率是一个关键的要求，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，这也会影响整体的功率损耗。安森美半导体被公认为在这方面拥有行业领先的技术，并辅以其门极驱动方案。它们一起创造了一个优化的电力拓扑结构。

这些优点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，其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，它们使得实现MHEV系统变得更加简单。

采用安森美半导体的APM的另一个主要好处是在很小的占位面积内提供高功率密度，这减少了整个系统的总重量，从而进一步减轻了发动机的负担，这也有助于降低排放。

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eFuse，以及车载网络收发器。

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的70%的好处。

此外，由于这些系统的设计目的是在ICE之外运行，它们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低排放和明显提高燃油效率的好处外，并没有明显的影响。

随着美洲、亚洲和欧洲越来越多的国家颁布了降低排放的规定，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，48 V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。

安森美半导体凭借其针对汽车优化、广泛的电源方案组合，其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提供汽车行业需要的方案方面已经有良好的记录。