42V汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

中心議題：

• 42V汽車電氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
• 汽車供電系統(tǒng)的兩種方案比較
• 稀土永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

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(jì)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(fù)荷的發(fā)展歷史與趨勢見圖1。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)有越來越多的電氣及電子系統(tǒng)被應(yīng)用到汽車上。

20世紀(jì)90年代，汽車設(shè)計(jì)者提出的提高汽車電源電壓的構(gòu)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(rèn)同，并制定了汽車電源42V電壓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

汽車供電系統(tǒng)由現(xiàn)有的14V標(biāo)準(zhǔn)向42V標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢，并將在未來數(shù)年內(nèi)得到迅速發(fā)展，從而導(dǎo)致汽車電器電子產(chǎn)品的一場革命。汽車新供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)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(jī)遇。我們應(yīng)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(diǎn)

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(nèi)，任何超過60V電壓的系統(tǒng)，在導(dǎo)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(shí)，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(shí)也不會(huì)對人體安全造成威脅。

42V電壓值是目前汽車發(fā)電機(jī)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(dá)2km的導(dǎo)線、2000多個(gè)線頭和350多個(gè)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(jī)及電力元件的電流負(fù)荷，也使導(dǎo)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(dǎo)線截面積以降低重量。

有了42V電源系統(tǒng)，許多以前看似不切實(shí)際或不可能的技術(shù)也都變得可行了。在42V電氣系統(tǒng)中，線控技術(shù)、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(dòng)懸掛和電動(dòng)四輪輔助驅(qū)動(dòng)裝置都能更有效地使用，為車輛的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了更大的可能性（表1）。

使用42V電源系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一些長期運(yùn)轉(zhuǎn)的附件如轉(zhuǎn)向助力泵、水泵、冷卻風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)和氣泵等呵直接由新的電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，從而減少空轉(zhuǎn)消耗，提高能源利用效率。對于電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，由電源直接驅(qū)動(dòng)，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(jì)性。

1.4 可大幅度提高發(fā)電機(jī)效率

目前汽車使用的硅整流發(fā)電機(jī)效率在60c/~以下。硅整流發(fā)電機(jī)輸出電流大，電樞繞組的電流密度達(dá)10A/ram，很多能量被勵(lì)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供較高的電流輸出，電機(jī)效率可達(dá)到80％以上，目。功率達(dá)到8kw以上酉門子VDO產(chǎn)品輸出10～15kW，效率可達(dá)85％。

1.5 有利于發(fā)展混和動(dòng)力車

采用42V電源后，若沒訃啟動(dòng)發(fā)電集成裝置（ISA），則可實(shí)現(xiàn)以下功能：
①在汽車起步時(shí)，增強(qiáng)了啟動(dòng)加速性能，在很短時(shí)間內(nèi)（通常為0.1～0.2s）將內(nèi)燃機(jī)加速到超過怠速轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機(jī)開始點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無怠速工況；
②汽車較長時(shí)間處于停車狀態(tài)，如遇紅燈時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷內(nèi)燃機(jī)供油，內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行；
③汽車正常行駛時(shí)，ISA為發(fā)電機(jī)工況，向電池充電；
④汽車加速或爬坡時(shí)，ISA工作在電動(dòng)機(jī)工況，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供輔助推進(jìn)動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)

目前，42V電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了國際汽車工業(yè)界的認(rèn)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(dòng)力車Explorer。

2 運(yùn)行模式

在新的電氣系統(tǒng)中，有兩種實(shí)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(yùn)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(huì)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。

2.2 42V/14V雙電壓運(yùn)行模式

由于42V電源系統(tǒng)涉及到的產(chǎn)品技術(shù)改造的范圍太廣，因此反對電壓升級(jí)的聲音也不少，尤其是配件供應(yīng)商，因?yàn)楫a(chǎn)品改造必將增大他們的成本因此，作為過渡階段的42V/14V雙電壓系統(tǒng)的方案，正被越來越多的人所關(guān)注。

雙電壓系統(tǒng)對現(xiàn)有汽車零部件商的沖擊較小，因此汽車業(yè)傾向于這種方案。如圖3所示的雙電壓系統(tǒng)，需要有一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器將42V電壓轉(zhuǎn)換成l4V電壓，因而需要2個(gè)蓄電池（12V和36V）。而只有當(dāng)大量的部件都適應(yīng)42V車用電源的時(shí)候，才能大批量生產(chǎn)純42V的車用電源。

雙電壓系統(tǒng)將汽車電器與電控裝置根據(jù)耗電量的大小分為兩組，傳統(tǒng)的中小功率用電器為一組，如燈具、儀表、電動(dòng)雨刷等采用14V電源供電；而大功率用電器如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、加熱、電動(dòng)懸架等電器則直接采用42V的電源供電。交流發(fā)電機(jī)經(jīng)整流調(diào)壓后得到42V電壓供給高功率負(fù)載并對36V蓄電池充電，而42V電壓經(jīng)DC/DC變換器之后為14V電氣系統(tǒng)供電。

3 稀土永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

12V提升到42V供電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變給汽車電器元件也帶來了較大變革，如新型葺電池、啟動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等。42V汽車電源系統(tǒng)主要有42V發(fā)電機(jī)、36V蓄電池和DC/DC直流交換器組成。36V蓄電池可由三節(jié)12V蓄電池串連而成，DC/DC直流交換器也已有許多機(jī)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。

當(dāng)前主要有3種發(fā)電機(jī)可供選擇：

1）永磁發(fā)電機(jī)。
永磁電機(jī)具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率和可靠性。

2）有刷硅整流發(fā)電機(jī)。
目前汽車使用的大部分是有刷硅整流發(fā)電機(jī)，但是該機(jī)帶有碳刷滑環(huán)裝置，碳刷容易磨損，壽命短，故障率高。

3）無刷硅整流發(fā)電機(jī)。
無刷硅整流發(fā)電機(jī)維護(hù)簡便，可靠性高，但該機(jī)增加了磁場氣隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。

目前稀土永磁材料已經(jīng)具備了較高的性價(jià)比，現(xiàn)代電力電子技術(shù)也為研制出斬波式的電子穩(wěn)壓器奠定了基礎(chǔ)。因此，利用稀土永磁材料和現(xiàn)代電力電子元件研制出結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率高、壽命長的42V稀土永磁發(fā)電機(jī)具有較高的研究價(jià)值和廣闊的推廣前景。

設(shè)計(jì)的釹鐵硼永磁發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，還研制了三相半控橋整流穩(wěn)壓電路（圖5）。該電路由三相半控橋整流電路、電壓信號(hào)取樣電路和觸發(fā)電路組成。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓低于目標(biāo)穩(wěn)壓值