42V汽車供電系統(tǒng)設計方案

　　中心議題：

　　42V汽車電氣系統(tǒng)的優(yōu)點

　　汽車供電系統(tǒng)的兩種方案比較

　　稀土永磁發(fā)電機的設計

　　解決方案：

　　全車42V單一電壓方案

　　42V/14V雙電壓方案

　　汽車電源的電壓從上世紀50年代的6V改為12V，己有50多年的歷史。自1990年開始，汽車用電量每年以5％～8％的比例增加，其平均電力負荷的發(fā)展歷史與趨勢見圖1。隨著汽車技術的不斷進步，將會有越來越多的電氣及電子系統(tǒng)被應用到汽車上。

　　20世紀90年代，汽車設計者提出的提高汽車電源電壓的構想，很快得到汽車研究者、汽車制造商、零部件制造商的一致認同，并制定了汽車電源42V電壓的相關標準。

　　汽車供電系統(tǒng)由現(xiàn)有的14V標準向42V標準轉化已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢，并將在未來數(shù)年內得到迅速發(fā)展，從而導致汽車電器電子產(chǎn)品的一場革命。汽車新供電系統(tǒng)標準的實施，對汽車電子工業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)品將帶來巨大的沖擊。這對于我國來說既是一次挑戰(zhàn)，也是一次難得的機遇。我們應在汽車電源改革的過程中，積極參與研發(fā)，與國際汽車電器電子產(chǎn)品接軌。

　　1 42V汽車電氣系統(tǒng)優(yōu)點

　　1.1 電壓安全、易得

　　根據(jù)歐洲的安全法規(guī)定人體的安全電壓在50V以內，任何超過60V電壓的系統(tǒng)，在導線和連接處都要有特殊的絕緣措施，這將增加系統(tǒng)的重量和成本。因此，選擇42V電壓，就是希望在滿足電能需要的同時，能像傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)一樣，即使觸碰到電極或金屬車體時也不會對人體安全造成威脅。

　　42V電壓值是目前汽車發(fā)電機輸出電壓14V的3倍，其采用的36V蓄電池有利于使用3節(jié)傳統(tǒng)的12V鉛酸蓄電池串聯(lián)改裝組成。

　　1.2 顯著降低汽車線束成本

　　現(xiàn)代汽車擁有長達2km的導線、2000多個線頭和350多個集線器，42V電源系統(tǒng)可大幅度降低這些線束的重量及成本。從理論上講，傳輸同樣的功率，42V系統(tǒng)的電流只有14V系統(tǒng)的三分之一，這樣就降低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的近九分之一，并可以減小導線截面積以降低重量。

　　1.3 使大量高新技術被廣泛應用

　　有了42V電源系統(tǒng)，許多以前看似不切實際或不可能的技術也都變得可行了。在42V電氣系統(tǒng)中，線控技術、行駛平順性控制裝置、電子加熱式催化器和電磁閥系統(tǒng)、主動懸掛和電動四輪輔助驅動裝置都能更有效地使用，為車輛的結構改進提供了更大的可能性（表1）。

　　使用42V電源系統(tǒng)，發(fā)動機的一些長期運轉的附件如轉向助力泵、水泵、冷卻風扇、空調壓縮機和氣泵等呵直接由新的電源系統(tǒng)驅動，從而減少空轉消耗，提高能源利用效率。對于電動制動系統(tǒng)，由電源直接驅動，可省去液壓或氣壓系統(tǒng)，帶來更好的駕駛舒適性和更好的燃油經(jīng)濟性。

　　1.4 可大幅度提高發(fā)電機效率

　　目前汽車使用的硅整流發(fā)電機效率在60c/~以下。硅整流發(fā)電機輸出電流大，電樞繞組的電流密度達10A/ram，很多能量被勵磁繞組、電樞繞組和整流元件消耗掉了。

　　42V電源系統(tǒng)可在整個發(fā)動機轉速范圍內提供較高的電流輸出，電機效率可達到80％以上，目。功率達到8kw以上酉門子VDO產(chǎn)品輸出10～15kW，效率可達85％。

　　1.5 有利于發(fā)展混和動力車

　　采用42V電源后，若沒訃啟動發(fā)電集成裝置（ISA），則可實現(xiàn)以下功能：

　?、僭谄嚻鸩綍r，增強了啟動加速性能，在很短時間內（通常為0.1～0.2s）將內燃機加速到超過怠速轉速，然后內燃機開始點火，實現(xiàn)發(fā)動機無怠速工況；

　?、谄囕^長時間處于停車狀態(tài)，如遇紅燈時，控制系統(tǒng)會自動切斷內燃機供油，內燃機停止運行；

　?、燮囌Ｐ旭倳r，ISA為發(fā)電機工況，向電池充電；

　?、芷嚰铀倩蚺榔聲r，ISA工作在電動機工況，為發(fā)動機提供輔助推進動力，使發(fā)動機工作在高效區(qū)，提高了效率，降低了燃油消耗6）已經(jīng)具備一定的研究基礎

　　目前，42V電氣系統(tǒng)結構已經(jīng)得到了國際汽車工業(yè)界的認可，并已在一些車輛上被采用，如沃爾沃公司的$80和福特公司的混合動力車Explorer。

　　2 運行模式

　　在新的電氣系統(tǒng)中，有兩種實施方案：一種是全車42V單一電壓方案；另一種是42V/14V雙電壓方案。

　　2.1 單一電壓運行模式

　　42V電氣系統(tǒng)的單一電壓方案如圖2所示，42V單一電壓會對目前的汽車零配件制造商造成大沖擊，因此推廣有一定困難。