汽车电气化怎么走？48V系统逐步过渡？

时下普遍使用的P0、P2结构比较简单,并且有助于控制成本,整体效果也非常出色,尤其P2是混动汽车运用最广泛的一种模式。据了解,TI此次发布的这个方案适用于48VP0和P2电机,其高度集成的特性有助于设计工程师构建小型化的48V电机驱动系统。

文︱立厷

图︱网络

汽车行业的发展趋势是电气化,但这个过程怎么走却存在不小争议,一种观点认为应该从混动做起,特别是48V轻混(MHEV),然后逐步过渡。那么疑问就来了:

为什么选择48VMHEV系统?而不是24V、36V或60V?

48VMHEV肯定是一种过渡,市场能有多大?主机厂有必要投入资金和人力去研发吗?

很多主机厂都加入了48VMHEV阵营,是否意味着它比全电动汽车(BEV)的市场更为可观,未来一段时间是否能成为主流?

混合动力汽车在一定程度上“降维打击”了燃油车,但在与BEV的竞争中,前者在财政补贴和优惠政策方面的加持力度不断降低,其优势如何体现?

■

从PHEV实测到推出MHEV

2020年10月,绿色和平组织的一份报告解读了对三款欧洲畅销PHEV(宝马X5、沃尔沃XC60和三菱欧蓝德)的测试结果:经专业机构测试,现实中PHEV的二氧化碳排放量是实验室中的2．5倍以上。报告认为:PHEV未能实现实际宣传的二氧化碳减排和燃油经济性。

2020年12月,沃尔沃宣布XC60将实现全系车型电气化动力系统,XC602．0T汽油和柴油发动机中增加了最新48VMHEV系统。

图:沃尔沃官网的大肆渲染

与此同时,宝马X5也爆出48VMHEV系统最新谍照,将于今年首发。不过,三菱依然故我,2021款还是PHEV。德系毫无疑问是48VMHEV坚定不移的支持者和推动者,早在2011年奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众联合提出了这一方案。

其实,严格来讲,在混动系统中,48VMHEV是最弱的一种,因为不管是比亚迪的PHEV系统,还是1997年丰田首创的燃油混动(HEV)系统,电动系统扮演的角色都要重得多。48VMHEV只是在目前电气化浪潮下,主机厂为了满足排放标准所研发的混动方案。仅从节油效率来说,MHEV肯定不是最大的,不过在燃油到纯电这一过程中,MHEV可能是过渡阶段比较不错的解决方案。

为什么是48V?原因很简单,因为电压低了对降低油耗帮助不大,电压太高人身安全法规通不过。而且48VMHEV系统技术很成熟,不需要主机厂大幅改变车辆设计,与普通燃油车驾驶方式也没有什么差异,成本也较低。

说到成本,丰田的方案基本上是在原有发动机驱动系统上再增加一套电驱动系统,成本较高,维护成本也高。

PHEV既有发动机也有电池组,具有HEV混合动力和MHEV的功能,且能在纯电模式下行驶。目前,PHEV系统车型要比同款燃油版贵数万元。

MHEV是一套具备怠速停机和启动功能的系统,可以取代传统燃油车的自动启停系统。由于MHEV电池容量较小,系统复杂程度较低,改动很小,控制简单,成本低(5000元左右),易于实现产业化,更容易为消费者接受;仅用HEV30%的成本就可实现其70%的节油效果。

那为什么MHEV没有政府补贴呢?事实上,政府想发展哪块就会倾斜哪块。从技术上讲,只有动力电池组容量大的才会有补贴,因为鼓励零排放嘛!

■

48V系统的五个误区

国际能源署《2020年全球电动汽车展望》报告显示,2019年,全球包括PHEV的电动汽车销量为210万辆,上路总数已增加到720万辆。然而,即使同比增长40%,电动汽车也仅占全球汽车市场的1%和全球汽车销售的2．6%,其余都是内燃机(ICE)汽车。减少二氧化碳排放和遵守政府法规正促使主机厂推出48VMHEV车型。

对半导体厂商来说,车辆电气化怎么走都有利,因为都需要半导体器件,所以他们对某种技术的评价还比较可信。德州仪器(TI)动力传动系统总经理Karl-HeinzSteinmetz认为,技术可用性、市场和环境法规以及基础设施建设的协调一致,才能使全电动汽车的未来变为现实。

他说:“人们对全电动传动系统的误解和善意的忠诚依然存在,而这导致了针对MHEV的五个误区”:

误区一:48VMHEV市场不可能扩大

即使并非所有消费者都准备放弃ICE汽车,市场也已为PHEV和BEV提供了多种ICE替代品。德勤《2020年全球汽车消费者研究》显示,印度10%和德国43%的潜在买家不愿意为电动汽车支付更多的费用。如何让消费者接受?48VMHEV恰恰可以在解决里程焦虑的同时不增加太多成本,既满足现有需求,又让消费者向电气化未来迈出一步。

图:不愿意为自动驾驶技术和替代发动机技术再付钱的消费者百分比

误区二:主机厂会跳过48V

麦肯锡在《不断变化的动力总成部件市场和供应商如何取得成功》”的报告中估计,到2030年,电动汽车充电基础设施需要累计投资500亿美元(不包括电网升级),才能支持PHEV和BEV当前的增长轨迹。大多数主机厂都愿意采用48V系统,因为只需要在车辆结构上进行步进变化,而用BEV取代ICE车辆需要昂贵的重新设计。随着电气子系统数量的增加,48V系统越来越受欢迎,越来越多的主机厂计划或推出了MHEV。

误区三:48V系统将使汽车更昂贵

尽管包括额外电池在内的新部件成本有所增加,但其他方面仍有节省,包括:

减少近4公里电缆和相应线束重量,因为48V比12V使用的线规更小

48V电动泵、风扇、动力转向齿条和压缩机的效率更高,可以降低成本

与PHEV和BEV相比,由于电池容量小,电池成本降低

在保持性能的同时,使用更小、更低成本的四缸发动机替代六缸发动机,缩小了尺寸

此外,还可以通过设计来管理MHEV成本——从成本最低的P0架构(皮带运行)到紧密集成的P4架构(电动机直接向车轴施加扭矩)。

虽然规模经济可以进一步抵消前期成本,但MHEV还可以通过提高燃油效率来降低使用成本,同时具有启动/停止期间更长的发动机关闭时间、通过回热或再生制动捕获能量以及ICE发动机的扭矩辅助等功能。

误区四:48V系统将取代12V系统

MHEV通过DC-DC转换器将传统12V电池连接到48V系统。在当前设计中,48V系统可处理来自气候控制和扭矩辅助的负载,并有助于减少启动时间,而12V系统则继续控制发动机、变速箱,处理主动安全和信息娱乐功能,从而将重新设计和相关成本降到最低。最终,头部主机厂将完全转向48V系统,但这可能需要10至15年的时间。

误区五:现在就推全电动汽车

事实上,世界现在需要的是减少二氧化碳排放量。2021年,欧盟将开始将二氧化碳排放量限制在95克/公里,并计划到2030年将其限制在59克/公里或以上。中国、印度、加拿大和英国等国家也宣布在未来几十年逐步淘汰ICE车辆的目标。

尽管电动汽车目前可卖给愿意和有能力更换的消费者使用,但MHEV提供了一条增加交通电气化的途径。这是一条有助于解决成本、里程和环境问题的途径,同时继续利用现有的规模经济和客户期望。

■

怎样设计48VMHEV电机驱动系统

StrategyAnalytics的动力总成、车身、底盘和安全服务主管AsifAnwar说:“48V系统是一项变革性的技术,可帮助主机厂达到减排指标,为高级驾驶辅助系统(ADAS)提供更大的功率,同时管理暖通空调系统等高耗电负载。”要推进MHEV进程,需要将先进性能与功能安全和AEC-Q100的0级标准相结合,才能提供系统级运行优势,帮助主机厂实现目标。

为了符合法规要求,主机厂正在增加MHEV车型,并以更大量产规模来降低制造成本。TI电机驱动器业务部门总经理KannanSoundarapandian说:“48VMHEV市场有很大增长空间,未来将占有很大市场份额。”

他指出,为在MHEV电机驱动系统中实现汽车电气化,设计人员需要满足电机驱动系统的以下要求:

尺寸要小:因为电路板空间有限,需要集成更多的器件,以满足实现电机驱动的需求

考虑功能安全性:能够达到业内最高等级ASIL-D的系统功能安全性要求,实现ISO26262所要求的设计

支持大功率应用:能够驱动30kW左右功率的电机,用大功率器件驱动电机,有效实现电气化

耐受恶劣条件:能够承受高温或高压条件,而不出现失效

不过,在尺寸方面,常见48V电动发电机和电动助力转向统的电机驱动器集成度并不高,分立元件比较多,因此体积也比较大。

图:48V电动发电机和电动助力转向统和电机驱动器

与现有的三相48VBLDC电机驱动器相比,TI刚刚推出的三相48VBLDC电机驱动器DRV3255-Q1可在满足主机厂对电机驱动系统多方面要求的同时,利用集成将无源器件减少12-24个,减少PCB空间多达30%,可实现尺寸更小的48V大功率电机控制系统设计(如MHEV牵引逆变器和起动机发电机),降低物料清单成本。

图:DRV3255-Q1电机驱动器设计是不是简单很多

Soundarapandian介绍说,新产品集成了高侧和低侧主动短路逻辑和动态故障响应功能,省去了外部晶体管和控制逻辑,帮助设计人员简化了设计。它可为高达600A电流的电机提供更高的栅极驱动电流,直接驱动栅极电荷高达1,000nC的MOSFET;更好的保护和更高的输出功率(高达30kW)有助于缩短重型车辆中48V电机驱动系统的响应时间,甚至能驱动皮卡等重型车辆,保证驾驶员在停车后更快加速行驶。

在保护方面,新驱动器符合AECQ-100的0级标准,具有广泛的工作温度范围(-40℃至150℃),可防止48V动力总成系统受到高达95V开关瞬态电压和负载突降的影响,从而省去了保护电路,提高了产品的可靠性。

利用主动短路逻辑功能,系统设计人员可以根据系统需求灵活地连接MOSFET,防止由于过压导致的灾难性系统故障。在过压情况下,动态故障响应会自动将电机驱动器切换至主动短路模式,在优化系统性能的同时防止车辆电机和电气部件受到过压应力的影响。

在功能安全方面,DRV3255-Q1采用经T?VS?D认证的功能安全硬件开发流程设计,并包含内置的安全机制和文档(如故障模式、影响和诊断分析以及功能安全手册),简化了ISO26262ASILD级合规性认证。除针对器件内部故障模式的安全机制外,数字输入/输出引脚还可以承受75V的绝对最大额定值,防止DRV3255-Q1受到外部12V电源过压的影响。

■

最后说说电机位置

在混合动力系统中,经常提到P0、P1、P2、P3和P4。P指的是五种电机所在位置:

P0是电机装在发动机前面,包括电动机、电动涡轮、一体式发电机/起动机、高压发电机等;

P1是电机直接与发动机曲轴连在一起,发动机转电机就跟着转,所以P1模式混动汽车没有纯电行驶模式

P2是在发动机和变速箱之间加入两个离合器和一套电机来实现混动,这种模式的车可以实现纯电行驶模式

P3是将电动机挪到了变速箱的末端,其优点是纯电驱动更为直接、高效、动能回收效率高,但电机无法与变速箱或发动机进行整合,需要占用额外体积

P4是把电动机放在后桥上,直接驱动车轮,动力更直接,这种混动模式主要用于跑车和SUV。

时下普遍使用的P0、P2结构比较简单,并且有助于控制成本,整体效果也非常出色,尤其P2是混动汽车运用最广泛的一种模式。据了解,TI此次发布的这个方案适用于48VP0和P2电机,其高度集成的特性有助于设计工程师构建小型化的48V电机驱动系统。