迈向轻度混合动力电动车的关键：48V起动发电机详细解析

汽车功能电子化的关键步骤之一是将内燃机 (ICE) 与电动机结合起来，研发出轻度混合动力汽车 (MHEV)。作为迈向汽车功能全面电子化的重要里程碑，MHEV 成为了许多还未准备好过渡到全电动汽车的驾驶员的热门选择。由于 12V 系统已接近极限，汽车行业现在正迁移至 48V 系统。这种转变旨在增加可用功率，减小线束和连接器尺寸，并支持额外的电气设备和更高的功耗。本文为48V起动发电机系统方案指南第一部分，将介绍系统用途、市场趋势、系统描述。

系统用途

MHEV 的混合动力方案基于起动发电机，而起动发电机由 48V 锂离子电池供电。无论是皮带起动发电机 (BSG) 还是集成起动发电机 (ISG)，都发挥着双重作用，即取代传统起动机和交流发电机模块，同时增强 ICE 功能。

通过改动现有的汽车设计，汽车制造商可以轻松实现 48V 轻度混合动力技术，并将其作为新车型的标配功能，满足全球客户的需求。MHEV 是一种更经济的绿色方案，在环境责任和经济实用性之间取得了平衡，因此成为客户的理想选择。

在减少燃油车排放和提高燃油效率方面，起动发电机一直是 48V 系统的重点关注对象。此外，还有其他减排技术，包括电动涡轮增压器、废气再循环 (EGR) 泵和电加热催化剂。电压越高，耗电组件的工作效率就越高。

市场趋势

近年来，48V 配件已经开始进入纯电动汽车 (BEV) 应用市场。电压更高的配件可提供与 BEV 配件相同的优势，而 800V 的系统在 BEV 中的应用尚不成熟。随着汽车逐渐采用 48V 电源系统，传统的 12V 配件将迁移至 48V 总线，这一转变将从系统中的最高负载开始。

在全球范围内，MHEV 市场一直在稳步增长，但增长速度不如 BEV 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 市场。这表明，消费者更喜欢能够从电网获取电力的汽车。然而，由于 MHEV 更便宜、更方便且不需要充电站，所以在全球电动汽车市场中仍然占有很大的份额。

系统描述

轻度混合动力电动汽车 (MHEV) 中的起动发电机

MHEV 是一种将内燃机 (ICE) 与 5kW 至 25kW 电动机相结合的汽车，这种组合也称为皮带起动发电机 (BSG) 或集成起动发电机 (ISG)。BSG/ISG 有效地结合了起动电机和交流发电机的功能，创造出 MHEV 混合动力汽车。

将 BSG/ISG 应用于 ICE 汽车可实现额外的功能，例如：起停、滑行/制动期间的能量回收、从 ICE 产生能量，甚至根据车辆的不同情况实现电力驱动（或助力）。这些功能运行起来非常平顺，驾驶员甚至可能不会注意到所驾驶的 MHEV 与传统 ICE 汽车有何不同，除非在使用过程中 ICE 关断。

功能和性能取决于 BSG/ISG 在动力总成中的位置。图 1 显示了起动发电机在 MHEV 动力总成中的潜在放置位置。下页的表 1 详细列出了每个位置的技术功能。随着技术功能的增多，集成成本和复杂性也在增加。P0 - P4 是目前指定的位置，对系统而言，每个位置都有不同程度的功能和设计挑战。位置还决定了所用的设备是 BSG（P0，可能还有 P2）还是 ISG（P1，可能还有 P2、P3 和 P4）。

图 1：轻度混合动力起动发电机的拓扑及其在车辆动力总成中的位置。

P0 – 皮带传动起动发电机 (BSG)
P1   – 曲轴起动发电机
P2   – 变速箱输入轴 → BSG/ISG
P3 – 变速箱输出轴 → ISG
P4 – 后桥或差速器上的驱动装置 → ISG

如果安装在 P0 或 P1 处，则设备的功能仅限于起停和能量回收。虽然 P0 和 P1 位置是更容易集成此类设备的地方，但这里的减排效益最低，因为 ICE 不运转的话就没有能量回收。受皮带打滑和最大作用扭矩的影响，皮带传动系统的功率将受到限制。相比之下，采用齿轮啮合的直接传动集成或直接连接到曲轴可以实现更高的功率输出。

在 P2、P3 和 P4 位置中，ICE 可以与传动系统断开，从而在低速条件下实现电力驱动，并在 ICE 关断的滑行或制动期间产生再生能量。

能量回收功能具有真正的可再生性，因为起动发电机与传动系统相连，即使在 ICE 关断的情况下也能继续运转。位置 P3 和 P4 可实现最大能量回收。在前轮驱动汽车的 P4 位置安装 ISG，可以使用适当大小的锂离子电池实现四轮驱动功能。

轻度混合动力电动汽车（MHEV)中的起动发电机

BSG/ISG 设备的安装位置和耦合机构将影响峰值输出功率（从 5kW 到 25kW）。如果安装在 P0 或 P1 处，则功能仅限于起停和能量回收。表 1 显示了起动发电机在不同位置的概况及其增加的功能。

• 位置 P0 的峰值功率受皮带联动装置的限制。为了驱动起动发电机运转，需要 ICE 处于开启状态以实现能量回收或发电。
• 位置 P1 直接连接至发动机曲轴，且不会出现与皮带相关的打滑现象，因此与 P0 相比，峰值输出功率和扭矩更高。

当 ISG 位于传动系统中更靠后的位置 (P2-P4) 时，在 ISG 用作发电机的滑行或制动期间，可以进行能量回收。即使 ICE 关断，车辆的运动也会带动后桥或传动轴继续转动。

由于 ISG 现在独立于 ICE，因此可以采用更激进的 ICE 关断算法，从而进一步减少二氧化碳排放。在这些位置上可以实现电力驱动，这意味着 ISG 在发挥电机功能的同时，还能驱动车辆移动。这在走走停停的交通状况下非常有用，而且也有助于从静止状态启动车辆，然后在需要提高车速时再启动 ICE。

表 1：基于 MHEV 内 P0-P4 位置的功能变化。

DC-DC 转换器

MHEV 通常有两个电池：“传统”的 12V 铅酸电池和 48V 锂离子 (Li-Ion) 电池。当处于能量回收或发电模式时，BSG/ISG 为 48V 电池组充电，DC-DC 转换器将 12V 和 48V 电网连接在一起。

• 12V 电池为许多“传统”系统供电，例如信息娱乐系统、车门模块、发动机控制和安全系统，而 48V 电池则为更高负载供电，例如电动转向、电动涡轮增压器、泵、悬架和暖通空调。48V 电池还为 BSG/ISG 供电，以启动车辆或提供电力助力/驱动。

• DC-DC 转换器通常为双向设计，功率从 1 kW 到 3 kW 不等（降压模式为 3kW，升压模式为 1kW）。最常见的拓扑结构是非隔离双向同步降压转换器。

• DC-DC 转换器虽然设计为用于 12V 和 48V 标称电池电压，但必须具备在标称电压范围外运行的能力，从而为高于和低于标称电压的工作电压留出空间。电压会因电池充电状态和其他因素而发生变化。

ISO 21780:2020 规定的 48V 系统电压水平

标准与合规

国际功能安全标准 ISO 26262 是公路车辆电气和电子系统开发必须遵守的标准。该标准的主要目标是最大限度地降低车辆系统故障带来的安全隐患，涵盖软件故障、传感器失灵和硬件故障等潜在危险。

• 专用于电动汽车 48V 系统、组件及其测试的标准已经出台，最早使用的是 LV148 标准，后来改用德国 VDA320 标准。目前是用 ISO 21780:2020 标准取代了 VDA320。电动汽车安全和测试方面的其他标准包括 ISO 6469、ISO 21498。

• 48V 电网上的组件冗余对于确保电气系统的可靠性和适应性至关重要。这将成为 48V 系统开发和普及的推动因素之一。如果单个组件发生故障，冗余元件可作为备用，防止整个系统中断。这对于安全攸关的系统（例如控制制动、转向和安全气囊的系统）尤其重要。

• 安森美 (onsemi)作为一家领先的汽车产品供应商，具有悠久的历史，深知降低成本和满足日益提高的性能与安全需求所面临的挑战。安森美拥有深厚的专业知识并且严格执行 ISO26262 标准，这是安森美向客户提供经济有效的方案而又不损害安全性的关键。

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