皮带驱动启动发电机(BSG)在混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)中的关键作用

皮带驱动启动发电机(BSG)是混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)系统中不可或缺的组成部分。它在减少内燃机碳排放方面发挥着重要作用。BSG系统在电动汽车架构中承担着多重角色：启动发动机、为发动机提供额外动力，以及在车辆减速或滑行时回收能量并为电池充电。这一过程不仅减少了机械制动系统的磨损，还提高了整个系统的效率。

BSG系统可以安装在车辆的不同位置，常见的有P0和P1位置。P0位置的系统因其易于实施、所需重新设计较少且成本效益高而越来越普及。P1位置则在消除皮带损耗、提升性能和减少磨损方面更具优势。尽管P0和P1位置的BSG系统功率通常小于20kW，但它们在车辆电气化进程中扮演着重要角色。

BSG系统的电气与机械组成

BSG系统由多个电气和机械组件构成。其中，逆变器为系统提供动力驱动，而DC-DC转换器则在能量回收模式下将转子的机械能转化为电能。此外，BSG系统还负责在怠速停止系统中控制曲轴位置，并在冷启动时提供高启动扭矩。从机械角度看，BSG包括定子(连接到三相逆变器)和转子(通过滑环和电刷为转子绕组提供直流电，从而产生磁场)。一些新设计采用永磁电机，消除了对励磁线圈的需求，但这种方法在故障情况下无法关闭磁化，带来了新的安全挑战。

12V与48V系统的通用解决方案

BSG系统可用于12V和48V电源系统。12V BSG系统的功率通常限制在10kW以下，而48V系统则可提供高达25kW甚至更高的功率。随着功率的增加，对栅极驱动器和电流传感器的要求也相应提高。对于P0和P1位置，采用适用于12V和48V电池的通用架构具有显著优势，可以减少设计时间和物料成本，并为两种系统提供统一的解决方案。

Allegro公司的AMT49502半桥栅极驱动器，其工作电压范围为5.5V至80V，非常适合12V和48V电源轨上的BSG应用。该驱动器的电荷泵稳压器为两个N沟道MOSFET提供栅极驱动，仅需单个电源，所有内部逻辑由片上稳压器供电。这种设计确保了高侧MOSFET在低至5.5V的电池电压下仍能保持11V的栅极电压，同时降低了芯片功耗，这对于48V系统的高效运行至关重要。此外，AMT49502还具备小型集成电荷泵，可在100%占空比下保持高侧开关导通。

Allegro还提供多种电流检测选项，这些选项具有类似的模拟接口，可与微处理器配合使用，实现全磁场定向控制(FOC)。对于低功率系统，AMT49502内置高性能电流检测放大器，可测量低侧电流分流器的电流。随着功率增加，基于霍尔效应的电流传感器因其低功耗、小尺寸以及电流隔离特性，成为更优选择。例如，Allegro的集成导体ACS71240适用于低功率系统，而ACS70310/1和ACS37612/10则适用于更高电流的电机相。这些传感器不仅提供了冗余方法和内置诊断功能，还具备过流和过温检测能力。

AMT49502的每个MOSFET都可以通过逻辑输入和辅助ENABLE输入独立控制，提供独立的桥接器禁用或睡眠模式激活功能。此外，通过SPI端口可以读取诊断信息并设置功能参数。

Allegro还提供了一系列磁角度传感器，适用于各种电机位置检测应用。高分辨率的A1333和AAS33001角度传感器可提供旋转电机位置信息，适用于正弦换向电机控制方案，从而提高BSG系统的效率和扭矩性能。此外，Allegro的磁性霍尔传感器产品组合也支持传统的块换向电机控制方法。

为严苛环境设计的坚固性

BSG系统在运行过程中会产生高电压，尤其是在发电机模式下，逆变器需要将三相电流转换为直流电压，并将其作为充电电压施加到12V或48V电池系统。电机产生的电压取决于转速，因此逆变器桥在高速旋转期间以及从驱动模式到发电机模式的转换期间必须能够承受电压瞬变。栅极驱动器必须足够坚固，以应对系统中的高电流和电压瞬变，从而节省设计时间并减少额外的保护电路成本。

AMT49502栅极驱动器能够承受低侧栅极上的–8V电压和高侧驱动器相对于相位节点的–18V电压。这种强大的瞬态性能结合智能控制算法，可确保高功率系统在运行过程中不会损坏逆变器。此外，EV组件必须能够处理负电压瞬变并通过主机厂的电磁辐射要求。

AMT49502驱动器采用分段可编程电流栅极驱动拓扑结构，允许对所有MOSFET的开关过程进行精确控制。通过SPI端口编程，可以优化MOSFET从关断到开启以及从开启到关断的转换过程，从而提高效率并降低电磁干扰(EMI)。通过精确控制MOSFET的开关时间和压摆率，可以在保持高效开关的同时限制电磁辐射。

Allegro的AMT49100三相栅极驱动器具有ASIL D认证，适用于纯48V系统。该驱动器提供额外的诊断功能，并能够通过内置测试电路验证每个诊断功能，从而为系统提供更高的功能安全性。

对于某些48V设计，超小型栅极驱动器可能是一个理想选择。例如，A89500半桥栅极驱动器采用3mm×3mm DFN封装，工作电压范围为10V至100V，可显著减少PCB空间。该器件适用于励磁线圈驱动器和经过适当安全分析的逆变器。

安全设计的重要性

启动发电机故障可能导致锂离子电池组过度充电，这在电池短路时可能引发危险。因此，启动发电机电路必须符合ISO 26262标准，通常需要达到“B”级认证。例如，在五相系统中，通过禁用励磁线圈驱动器可以有效消除转子磁场，从而避免过充电情况。AMT49502是在ISO 26262认证的开发流程中设计的，并已通过ASIL B认证。

AMT49502的每个半桥驱动器都具备先进的诊断功能，包含近20项诊断功能，如负载突降检测、MOSFET短路保护、栅极驱动欠压、桥接电源过压、温度警告等。这些诊断功能为系统控制器提供了必要的监控信息，帮助其做出故障安全操作决策。

Allegro的霍尔效应电流检测和电机位置传感器也考虑到了安全性。例如，ACS71240、ACS70310/1和ACS37612/10均为QM级产品，适用于系统级额定值高达ASIL D的应用。角度传感器A1333和AAS33001则可作为上下文外的安全元件，分别具有ASIL B或D额定值。

未来展望

随着电气化在汽车行业中的持续推进，48V系统因其诸多优势，将成为下一代高效、强劲且环保汽车的关键推动力。BSG系统在混合动力汽车(HEV)电机控制设计中越来越普遍，其易于实施、与现有交流发电机系统类似的尺寸以及无需对动力系统进行重大修改的特点，使其在P2至P4位置的应用中具有显著优势。未来，48V系统可能会在P3至P4位置占据主导地位。

从12V到48V的转变是汽车行业的大势所趋。使用适用于12V和48V系统的通用平台，将简化向48V解决方案的过渡。启动发电机系统将继续受益于行业领先的安全诊断功能、独立桥接控制提供的冗余、电流检测以及具有强大瞬态性能的电机位置传感器。

来源：2025上海电子元件展会