42V汽車(chē)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　中心議題：

　　42V汽車(chē)電氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　汽車(chē)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(chē)42V單一電壓方案

　　42V/14V雙電壓方案

　　汽車(chē)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(kāi)始，汽車(chē)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(shì)見(jiàn)圖1。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)有越來(lái)越多的電氣及電子系統(tǒng)被應(yīng)用到汽車(chē)上。

　　20世紀(jì)90年代，汽車(chē)設(shè)計(jì)者提出的提高汽車(chē)電源電壓的構(gòu)想，很快得到汽車(chē)研究者、汽車(chē)制造商、零部件制造商的一致認(rèn)同，并制定了汽車(chē)電源42V電壓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　汽車(chē)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(shì)，并將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)得到迅速發(fā)展，從而導(dǎo)致汽車(chē)電器電子產(chǎn)品的一場(chǎng)革命。汽車(chē)新供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)汽車(chē)電子工業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)品將帶來(lái)巨大的沖擊。這對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)既是一次挑戰(zhàn)，也是一次難得的機(jī)遇。我們應(yīng)在汽車(chē)電源改革的過(guò)程中，積極參與研發(fā)，與國(guó)際汽車(chē)電器電子產(chǎn)品接軌。

　　1 42V汽車(chē)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?xún)?nèi)，任何超過(guò)60V電壓的系統(tǒng)，在導(dǎo)線(xiàn)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(mǎn)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(chē)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(chē)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(chē)線(xiàn)束成本

　　現(xiàn)代汽車(chē)擁有長(zhǎng)達(dá)2km的導(dǎo)線(xiàn)、2000多個(gè)線(xiàn)頭和350多個(gè)集線(xiàn)器，42V電源系統(tǒng)可大幅度降低這些線(xiàn)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(xiàn)及功率元件的傳輸損耗降低為原來(lái)的近九分之一，并可以減小導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(zhǎng)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(lái)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(chē)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(mén)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(chē)

　　采用42V電源后，若沒(méi)訃啟動(dòng)發(fā)電集成裝置（ISA），則可實(shí)現(xiàn)以下功能：

　?、僭谄?chē)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(guò)怠速轉(zhuǎn)速，然后內(nèi)燃機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)怠速工況；

　?、谄?chē)較長(zhǎng)時(shí)間處于停車(chē)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；

　?、燮?chē)正常行駛時(shí)，ISA為發(fā)電機(jī)工況，向電池充電；

　?、芷?chē)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(guó)際汽車(chē)工業(yè)界的認(rèn)可，并已在一些車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)零配件制造商造成大沖擊，因此推廣有一定困難。

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　　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(duì)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(guò)渡階段的42V/14V雙電壓系統(tǒng)的方案，正被越來(lái)越多的人所關(guān)注。

　　雙電壓系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有汽車(chē)零部件商的沖擊較小，因此汽車(chē)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(chē)用電源的時(shí)候，才能大批量生產(chǎn)純42V的車(chē)用電源。

　　雙電壓系統(tǒng)將汽車(chē)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(duì)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(chē)電器元件也帶來(lái)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(chē)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(kāi)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(chē)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(wú)刷硅整流發(fā)電機(jī)。

　　無(wú)刷硅整流發(fā)電機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)便，可靠性高，但該機(jī)增加了磁場(chǎng)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?xún)r(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(jiǎn)單、發(fā)電效率高、壽命長(zhǎng)的42V稀土永磁發(fā)電機(jī)具有較高的研究?jī)r(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)壓值時(shí)，電子穩(wěn)壓器為三相整流輸出。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓高于目標(biāo)穩(wěn)壓值時(shí)，電壓信號(hào)取樣電路自動(dòng)使三相半控橋整流電路瞬時(shí)斷開(kāi)，降低輸出電醫(yī)當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓再低于目標(biāo)穩(wěn)壓值時(shí)，三相半控橋整流電路再恢復(fù)工作，周而復(fù)始。通過(guò)整流、斬波，保證了發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定的直流電。

　　4 性能試驗(yàn)

　　42v永磁發(fā)電機(jī)采用12極有極靴星形轉(zhuǎn)子式三相永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定電壓，42V；額定功率，3000W；額定轉(zhuǎn)速，4000r/mln。磁性材料選用釹鐵硼NTP30H，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=1.12T，磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc=790kA/m，最大磁能積，224～256kJ/m。在負(fù)載功率分別為2800，3000和3200W的條件下，對(duì)新研制的三相半控橋式整流穩(wěn)壓釹鐵硼永磁發(fā)電機(jī)從低速到高速進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　　從表2中看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由2000r/min變化到4800r/min時(shí)，負(fù)載功率由2800W變化到3200W時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在37.17—42.63V之間，該性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)論

　　1）目前汽車(chē)電源系統(tǒng)由14V電源向42V電源發(fā)展已經(jīng)是必然的趨勢(shì)，就像上世紀(jì)50年代將6V電源升級(jí)至現(xiàn)行的12V電源一樣勢(shì)不可擋。

　　2）作為過(guò)渡階段，對(duì)42V/14V雙電壓系統(tǒng)的研究將會(huì)是汽車(chē)界最近時(shí)期的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。

　　3）42V汽車(chē)供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，將對(duì)汽車(chē)電器與電子設(shè)備帶來(lái)巨大的沖擊，同時(shí)也會(huì)給整個(gè)汽車(chē)界帶來(lái)新一輪的技術(shù)革命。