42V汽車供電系統(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(duì)汽車電子工業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)品將帶來巨大的沖擊。這對(duì)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(duì)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。

　　1.3 使大量高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用

　　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(duì)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：

　?、僭谄嚻鸩綍r(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；

　?、谄囕^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(duì)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。