【導讀】一個多世紀以來，內燃機(ICE)一直是全球汽車工業的推進主力。汽車電氣化的創新正在將汽車改進為擁有更先進技術的交通解決方案。然而，并不是所有的EV都是一樣的，顯而易見目前的幾種混動的動力總成和純電動的動力總成是不同的。
皮帶傳動啟動電機(BSG)或啟動發電一體化電機(ISG)是EV發展里程當中的一個解決方案。BSG/ISG與ICE的組合創造了一種輕度混合動力汽車(MHEV)，這種混合動力解決方案為電子模塊和電動機創造了新的機會。
BSG/ISG可替代起動器和交流發電機功能模塊，同時增強了ICE功能。此架構有兩個電池，一個是傳統的12 V電池，另一個是48 V鋰離子電池。48 V鋰離子電池可提供更高的功率負載，如為BSG/ISG的電動機供電的逆變器。MHEV保留了12 V電池為車輛中傳統的電子控制模塊供電，并在需要時為48 V系統提供備用低壓電子電源。MHEV為汽車原始設備制造商(OEM)提供了由傳統內燃機推進至純電動車(BEV)之間的的一個過渡。
隨著更嚴格的二氧化碳排放法規推行，意味著燃油車必須全面減少車輛的二氧化碳排放量。MHEV實施的門檻相對較低，OEM只需在現有的車輛平臺進行一定程度的改造就可以為現有車型提供MHEV車型。MHEV可降低內燃機耗油量，從而降低車輛的二氧化碳平均排放量。BSG/ISG單元支持啟停功能、滑行或制動時進行能源回收、ICE運行時進行能源產生，以及在系統實施時進行電力驅動或增壓。當處于能源回收或能源產生模式時，BSG/ISG可作為發電機運行，向48 V電池組提供反向電流。反過來，DCDC模塊將48 V轉換為12 V，為傳統 的12 V電池充電。
MHEV是進入EV領域的“軟入口”，因為在許多情況下，車主在性能或功能上與傳統ICE車輛沒有任何感知上的差別。與某些BEV車型相比，MHEV不需要任何形式的電網充電，可快速加燃料，也不會讓駕駛者在長途旅行期間產生里程焦慮。事實上，只有當ICE在特定駕駛場景下關斷時，駕駛員或乘客才可能注意到MHEV的功能差異。發動機溫度、最后一次熄火間隔時間、電池電壓電平和充電狀態、電氣負載和可實現的最低車速都是由算法監控的一些特定工況，用以確定ICE或BSG/ISG的使用情況。而這些算法決策背后的復雜性并不是本文的主題。
制造商可在車輛中有不同位置集成BSG/ISG。P0 - P4是目前指定的位置，每個位置都為系統提供不同程度的功能和設計挑戰。
圖1：BSG/ISG在車輛動力總成中的位置
在這些不同的位置，BSG/ISG的功率輸出、與動力總成的耦合方法以及相關功能均不相同。如之前所述，該裝置的功能包括啟停、低速時的電力驅動、ICE的能源產生和能源回收。當ICE關斷時，可以在滑行或制動期間進行能源回收，ICE運行時則進行能源產生(發電機功能)，以便為48 V鋰離子電池提供電源?？焖贋g覽這些位置，您就會發現當發動機關斷時，P0或P1位置是無法進行能源回收的。然而，當ICE關斷時，P2 - P4位置則可以在滑行或制動期間回收能量，因為動力傳動系統的機械運動將帶動電動機運轉，以實現發電功能。以下圖表列出了基于BSG/ISG在車輛中P0 - P4位置的功能變化。
表1：BSG/ISG在不同位置的功能表
BSG/ISG單元的峰值輸出功率從5 kW到25+ kW，安裝位置和耦合機制將影響該額定值。由于皮帶打滑和施加的最大扭矩，皮帶傳動系統的功率將受到限制，而使用齒輪嚙合或直接連接至曲軸的直接傳動系統可以實現更高的功率輸出。P0 - P4的安裝位置不僅會影響峰值功率，還會影響系統級效率。
位置P0的峰值功率受皮帶聯動裝置的限制。能源回收或產生要求起動ICE以轉動BSG/ISG單元。而BSG/ISG單元的旋轉與ICE的旋轉或轉數直接相關。因此，如果ICE每分鐘轉數(RPM)由于滑行或制動而下降，BSG為48 V電池生成的電力也會降低。這種受限的能源回收功能意味著發動機關斷算法將不會那么積極，也不會像其他選項那樣節省燃油。
位置P1直接連接至發動機曲軸，且不會出現與皮帶相關的打滑現象。與位置P0相比，P1可以實現更高的峰值輸出功率和扭矩。位置P1的其余功能與P0相同。
位置P2能夠與動力總成進行皮帶或齒輪嚙合連接，位于ICE和變速器輸入之間。離合器系統可以嚙合或分離ICE與傳動系統，在這個位置，傳動系統可以與BSG/ISG實現更高的扭矩輸出和更高的速度/扭矩比。離合器還允許BSG/ISG在ICE關斷期間低速提供純電動驅動。能源回收功能具有真正的可再生性，因為單元與傳動系統相連，即使在ICE關斷的情況下也能繼續旋轉。這種改進的能源回收功能支持更積極的發動機關斷算法，從而可以比位置P0或P1節省更多的燃料。
位置P3是變速器輸出軸上的齒輪嚙合聯動裝置。由于與位置P0-P2相關, ICE和變速箱的損耗都非常小。離合器可以讓ICE與傳動系統斷開，與位置P2類似，從而在低速條件下實現電動驅動，并在滑行或ICE關斷期間產生再生能量。
位置P4是后橋或差速器上的齒輪嚙合聯動裝置，具有位置P3的所有功能。這個位置和位置P3可以實現最大限度的能源回收。在前輪驅動(FWD)汽車的這個位置安裝一個ISG，可以使用適當大小的鋰離子電池實現四輪驅動(AWD)功能。
汽車制造商可以在位置P0 - P4裝置多個BSG/ISG單元。這種組合可將車輛轉換為MHEV之前，實現更多的功能，或重復使用車輛以前的平臺。最大限度地重復利用可降低過渡到MHEV拓撲結構的成本影響，對OEM和客戶都有利。
如ICE在停車時關斷，或在滑行或制動期間關斷ICE，終端用戶將注意到MHEV的細微差別。他們會發現，如果車輛在位置P2 - P4上安裝了BSG/ISG單元，ICE 可能不會立即重啟，因為電動驅動將在完全停止狀態下行駛車輛。MHEV并不是BEV那樣的零排放車輛(ZEV)，但可以實現二氧化碳減排，幅度為4%至10%(Yole Développement，2020)，同時OEM可以利用車輛電氣化技術升級其車隊。無論是小小的進步和巨大的飛躍都將產生累積效應，以實現更清潔的環境。在BEV能夠滿足所有用例需求之前，MHEV將有助于減少交通運輸對環境的影響，同時滿足消費者對性能的期望。
這些多功能BSG/ISG單元為MHEV注入“混合動力”，占每年所有EV產量的三分之一，預其這這一比例至少保持到2026年。在復合年增長率(CAGR)為19.8%的情況下，這些系統的數量將大幅增長，同時加速EV車隊轉型(Strategy Analytics，2020)。
圖 2：2026年電動汽車的電氣化分類
設計BSG/ISG單元時需要考慮許多工程因素。模塊設計受峰值和恒定輸出功率、位置(P0 - P4)、冷卻方式和空間限制等因素的影響。對于逆變器中使用的電子控制和動力電子設備，最大功率密度、高能效和長期可靠性的要求都至關重要。
安森美(onsemi)提供面向汽車BGS/ISG設計的可擴展技術。該組合包括中壓MOSFET和汽車電源模塊、柵極驅動器、穩壓電源和車載網絡(IVN)解決方案。與安森美合作的客戶可以實現高性能解決方案，并為其BSG和ISG的應用開發提供完整的功率方案。
參考文獻
Yole Développement，(2020年)，2020年面向電動汽車和混合動力電動車的動力電子設備。
Strategic Analytics，(2020年10月)，2018至2027年汽車傳感器需求。
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