輕油電混合動力車駛向高能效未來

作者 : Jay Nagle,安森美半導體汽車產品資深行銷工程師

隨著越來越多的國家頒佈降低排放的規定,汽車製造商面臨著減排和提高燃油能效的任務;這些要求與MHEV技術完美同步。對於許多製造商來說,48V輕油電混合動力系統是一項入門級技術,預計在短期內還會有更多的廠商導入這項技術...

隨著汽車產業持續朝向全電動化的方向發展,基於48V系統的輕油電混合動力車(MHEV)架構正在汽車產業中充份展現其潛力。在未來五年中,汽車產業預計將看到在道路上行駛的MHEV數量以每年30%的速度增加,許多領先的汽車製造商已經開始銷售MHEV,或者計畫在不久的將來推出MEV。預計到2025年以後,MHEV將佔所有車輛的10%左右。

MHEV配置構成了整個電動車版圖的一部份,並填補了傳統12V內燃機車輛(ICE)和純電動車(BEV)之間的差距(1)。

1:整個電動車格局涵蓋從簡單的12V輔助系統到純電力系統。(圖片來源:Yole 

這種低電壓的MHEV解決方案有諸多優勢:該系統是ICE的互補;額外的48V匯流排支援引擎室中日益增加的各類電氣化功能,如電動泵。至於48V匯流排,由於被歸類為低壓系統,其線束要求也因此降低。

考慮到所有這些因素,人們對MHEV的興趣與日俱增,不僅是因為它可幫助降低傳統ICE的污染物排放,更重要的是能以合理的成本讓汽車排放符合更嚴苛的法規。僅此一點,就足以確保MHEV技術的持續採用,以及同時向全電動的更長期轉變。MHEV的另一個主要優勢是它並不依賴外部電源,而是一個完全封閉、自充電的系統,當ICE處於重負載時可以提供額外的動力。這足以增加每升公里數(km/L),從而減少溫室氣體排放。據估計,採用MHEV系統的車輛可望減少燃油排放多達10%。

實現輕度混合動力輔助

 如上所述,MHEV使用電動馬達來為ICE提供輔助,而不是像全電動車那樣用它來提供所有動力。然而,這並不表示ICE需要一直在運行中——在最近的例子中,取決於拓撲結構,電動馬達在低速條件下能在有限時間內提供所需的所有動力。當車輛減速或煞車時,電動馬達將工作模式切換到發電機(回收)模式而為48V電池充電。隨著基礎技術的改進,馬達所用的輸出功率從15kW增加到30kW,輕油電混合動力系統將能夠承擔更多的動力輸出。

當製造商將MHEV技術應用到現有的ICE動力傳動系統時,有多種方案可供選擇。似乎大多數製造商青睞的方法是,在變速箱的引擎側,用皮帶傳動將電動馬達連接到曲軸上。這意味著電動馬達的轉速與引擎曲軸相同,而與傳動軸的轉速不同。這也意味著馬達可以透過離合器與傳動軸耦合,就像ICE和傳動軸透過離合器耦合一樣。

2MHEV系統的主要配置架構。

 這種架構被稱為皮帶驅動啟動發電機(BSG),通常稱為P0,如2所示。這表明馬達是透過皮帶連接到曲軸上的,在啟動/停止系統中可以用來啟動引擎,而不是像使用12V匯流排和傳統啟動引擎的系統一樣。這樣做的好處是,由於引擎重新啟動的速度更快,因而可以提供更高的啟動扭矩並帶來更好的用戶體驗。另外,因為48V馬達同時可用於為48V電池充電,所以它也是一個發電機。

在大多數系統中,48V匯流排是現有12V系統的輔助,這意味著車上仍然有12V電池。然而,48V系統通常透過DC-DC轉換器來補充12V系統,該DC-DC轉換器是重要的新增補充系統,也需要納入考慮。

MHEV系統提供建構模組

在MHEV中,電氣系統採用兩種電壓匯流排。12V匯流排繼續為低功率系統提供電力,而48V匯流排則用於大功率馬達——例如現在用於動力轉向、空調和自適應懸吊的馬達——以及為連接到傳動系統的馬達提供動力。雖然在車輛中使用48V匯流排電壓並不是全新的技術,但其CO2減排成本比純電動(BEV)方式更低,因此成為了新系統的動力。

 如前所述,MHEV所涉及的電氣系統通常包括一個DC-DC轉換器,並用於連接兩種匯流排。如果使用的是交流(AC)感應馬達,則系統還會包括一個逆變器(見3)。由於MHEV並非插電式系統,因此不需要車載充電電路,但該領域已在發展中,因此不久將可看到基於48V系統的全混合動力車輛。

3:帶DC-AC逆變器的48V/12V系統。(圖片來源:Yole)

 安森美半導體(ON Semiconductor)專注於汽車和電源解決方案,能夠滿足所有48V MHEV應用的需求。燃油效率的提高與系統設計的各個方面有關,包括電氣性能、DC-DC轉換所使用的元件尺寸和重量。安森美半導體由於可提供較小封裝、額定電壓在80V以上的各類MOSFET,因而可實現較小型方案和較低的系統成本,並滿足汽車製造商所需的高散熱性能。

在這些應用中,電氣效率是一個關鍵要求,直接關係到開關電晶體的導通電阻,而影響系統中的導通損耗。其他關鍵的優點包括電晶體的開關速度,這也會影響整體功率損耗。安森美半導體為此結合其先進技術與閘極驅動方案,提供了最佳化的電源拓撲結構。

這一專精技術也展現在該公司生產的汽車電源模組(APM),包括全橋和半橋配置或整合了三相逆變電路。APM採用直接鍵合銅纜(DBC)基底材料的壓鑄模封裝,具有低熱阻和高可靠性,可承受車輛環境裡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的,因此用於實現MHEV系統變得更加簡單。採用該APM的另一個主要好處是可在很小的佔位面積內提供高功率密度,從而減少整個系統的總重量,並進一步減輕引擎的負擔,這也有助於降低排放。

除了功率電晶體和模組,安森美半導體還提供所需的輔助元件,如運算放大器、高速數位隔離器和電子熔斷器(eFuse)以及車載網路收發器。

總結

 對於汽車製造商來說,決定採用輕油電混合動力技術應該比較簡單。根據拓撲結構的不同,它只需要增加30%的成本,就能為全混合動力系統帶來70%的好處。此外,由於這類系統有別於ICE而設計,因此不會有由電動車引起的消費者顧慮等問題,如續航里程焦慮等等。從消費者的角度來看,轉向採用輕油電混合動力技術除了降低排放和明顯提高燃油效率的好處外,並沒有其他明顯影響。

隨著美洲、亞洲和歐洲越來越多的國家頒佈降低排放的規定,汽車製造商面臨著降低排放和提高燃油能效的任務;這些要求與MHEV技術完美同步。對於許多製造商來說,48V輕油電混合動力系統是一項入門級技術,預計在短期內還會有更多的廠商導入這項技術。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年5月號雜誌

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