作者：Jay Nagle，汽車產(chǎn)品高級營銷工程師，安森美半導體

隨著汽車行業(yè)全電動化的持續(xù)發(fā)展，基于48V系統(tǒng)的輕度混合動力電動汽車（MHEV）架構(gòu)的潛力正在汽車行業(yè)中得到充分的體現(xiàn)。在未來的五年里，汽車行業(yè)預計在我們的道路上行駛的MHEV數(shù)量將以每年30%的速度增長，許多領(lǐng)先的汽車制造商要么已經(jīng)在銷售MHEV，要么計劃在不久的將來推出MHEV。預計到2025年以后，MHEV將占到所有車輛的10%左右。

MHEV配置構(gòu)成了整個電動汽車版圖的一部分，并填補了傳統(tǒng)的12V內(nèi)燃機車（ICE）和純電動汽車（BEV）之間的差距（圖1）。

圖1：整個電動汽車格局涵蓋從簡單的12V輔助系統(tǒng)到純電動。（來源：Yole）

這種低壓MHEV方案有諸多的優(yōu)勢：這種系統(tǒng)是內(nèi)燃機（ICE）的補充；額外的48V總線支持發(fā)動機艙中日益增長的各類電氣化的功能，比如電動泵。而對于48V總線，它被歸類為低壓系統(tǒng)，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(tǒng)ICE的污染物排放，更重要的是它能以合理的成本使汽車排放符合更嚴苛的法規(guī)。僅此一點，就足以保證MHEV技術(shù)的持續(xù)采用，以及同時向全電動的更長期轉(zhuǎn)變。MHEV的另一個主要優(yōu)勢是它不依賴外部電源，它是一個完全封閉、自充電的系統(tǒng)，當ICE處于重負時可以提供額外的動力。這足以增加每升公里數(shù)（km/L），從而減少溫室氣體排放。據(jù)估計，采用了MHEV系統(tǒng)的車輛同比可減少燃油排放多達10％。

實現(xiàn)輕度混合動力輔助

如上所述，MHEV使用電機來對ICE提供輔助，而不是像全電動汽車那樣用它來提供所有動力。然而，這并不是說ICE需要一直運行——在最近的例子中，取決于拓撲結(jié)構(gòu)，電機可以在低速條件下在有限時間內(nèi)提供所有所需的動力。當車輛減速或制動時，電機將工作模式切換到發(fā)電機（回收）模式而為48V電池充電。隨著基礎技術(shù)的改進，所用電機的輸出功率從15kW增加到30kW，輕度混合動力系統(tǒng)將能夠承擔更多的動力輸出。

當制造商將MHEV技術(shù)應用到現(xiàn)有的ICE動力傳動系統(tǒng)時，有多種方案可供選擇。似乎大多數(shù)制造商所青睞的方法是，在變速箱的發(fā)動機一側(cè)，用皮帶傳動將電動機連接到曲軸上。這意味著電動機的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機曲軸相同，而與傳動軸的轉(zhuǎn)速不同。這也意味著電機可以通過離合器與傳動軸耦合，就像內(nèi)燃機（ICE）和傳動軸通過離合器耦合一樣。

圖2：MHEV系統(tǒng)的主架構(gòu)。

這種架構(gòu)被稱為皮帶傳動一體化起動/發(fā)電機（BSG），通常稱為P0，如圖2所示。這表明電機是通過皮帶連接到曲軸上的，在啟停系統(tǒng)中可以用來啟動發(fā)動機，而不是像使用12V總線和傳統(tǒng)啟動電機的系統(tǒng)一樣。這樣做的好處是，由于發(fā)動機重啟的速度更快，這樣可以提供更高的啟動扭矩并帶來更好的用戶體驗。另外，因為48V電機同時用來給48V電池充電，所以它也是一個發(fā)電機。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，48V總線是現(xiàn)有12V系統(tǒng)的輔助，這意味著車上仍然有12V電池。然而，48V系統(tǒng)通常可以通過DC-DC轉(zhuǎn)換器來對12V系統(tǒng)進行補充，這個轉(zhuǎn)換器是重要的新增補充系統(tǒng)，這也需要考慮。

提供MHEV系統(tǒng)的各組成部分

在MHEV中，電氣系統(tǒng)采用兩種電壓總線。12V總線繼續(xù)為低功率系統(tǒng)提供電力，而48V總線則用于大功率電機——例如現(xiàn)在用于動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)和自適應懸架的電機——以及為連接到傳動系統(tǒng)的電機提供動力。雖然在汽車中使用48V總線電壓并不是全新的技術(shù)，但其CO2減排成本比純電動方式更低，因此成為了更新系統(tǒng)的動力。

如前所述，MHEV所涉及的電氣系統(tǒng)通常包括一個DC-DC轉(zhuǎn)換器而用來連接兩種總線。如果采用的電動機為交流感應電動機，則系統(tǒng)還會包括一個逆變器（見圖3）。由于MHEV不是插電式系統(tǒng)，因此不需要車載充電電路，但該領(lǐng)域已在發(fā)展，因此未來可能會看到基于48V系統(tǒng)的全混合動力汽車。

圖3：帶DC-AC逆變器的48V/12V系統(tǒng)。（來源：Yole）

安森美半導體專注于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(tǒng)設計的各個方面有關(guān)，包括電氣性能、DC-DC轉(zhuǎn)換中所用元件的尺寸和重量。安森美半導體由于可以提供較小封裝、額定電壓在80V以上的各類MOSFET，因此可以實現(xiàn)較小體積的方案和較低的系統(tǒng)成本，并滿足汽車制造商所需的高散熱性能。在這些應用中，電氣效率是一個關(guān)鍵要求，它和開關(guān)晶體管的導通電阻直接相關(guān)，而導通電阻會影響系統(tǒng)中的導通損耗。其他關(guān)鍵的優(yōu)點包括晶體管的開關(guān)速度，這也會影響整體功率損耗。眾所周知，安森美半導體在這方面擁有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)，并且還有柵極驅(qū)動方案相輔相成。將它們結(jié)合起來，就可以得到一個優(yōu)化的電源拓撲結(jié)構(gòu)。

這一專長在安森美半導體生產(chǎn)的汽車電源模塊（APM）中也得到了體現(xiàn)，它具有全橋和半橋配置或集成了三相逆變電路。APM采用直接鍵合銅（DBC）襯底材料的壓鑄模封裝，具有低熱阻和高可靠性，可以承受車輛環(huán)境里固有的振動和機械應力。由于這些模塊是為汽車應用而設計的，因此用它們實現(xiàn)MHEV系統(tǒng)變得更加簡單。采用安森美半導體APM的另一個主要好處是可在很小的占位面積內(nèi)提供高功率密度，這就可減少整個系統(tǒng)的總重量，從而進一步減輕發(fā)動機的負擔，這也有助于降低排放。

除功率晶體管和模塊以外，安森美半導體還能提供所需的輔助元件，如運算放大器、高速數(shù)字隔離器和電子熔斷器（eFuse），以及車載網(wǎng)絡收發(fā)器。

總結(jié)

對于汽車制造商來說，決定采用輕度混合動力技術(shù)應該比較簡單。根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的不同，它只需要增加30%的成本，就能提供全混合動力系統(tǒng)70%的好處。此外，由于這類系統(tǒng)的設計目的是在ICE之外運行，因此其沒有由電動汽車引起的消費者所擔憂的那些問題，比如續(xù)航焦慮。從消費者的角度來看，轉(zhuǎn)向采用輕度混合動力技術(shù)除了降低排放和明顯提高燃油效率的好處外，并沒有其他明顯影響。

隨著美洲、亞洲和歐洲越來越多的國家頒布降低排放的規(guī)定，汽車制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(shù)完美的同步。對于許多制造商來說，48V輕度混合動力系統(tǒng)是一個入門級的技術(shù)，我們期待著在短期內(nèi)會有更多的廠商采用這項技術(shù)。

安森美半導體憑借其針對汽車優(yōu)化、廣泛的電源方案組合，在滿足目前業(yè)界發(fā)展節(jié)能方案的需要上處于有利地位。業(yè)界對能效的關(guān)注延伸到MHEV技術(shù)，安森美半導體在為實現(xiàn)MHEV提供汽車行業(yè)所需方案方面已經(jīng)有良好的記錄。

編輯：hfy