42V汽车供电系统设计方案

　　中心议题：

　　42V汽车电气系统的优点

　　汽车供电系统的两种方案比较

　　稀土永磁发电机的设计

　　解决方案：

　　全车42V单一电压方案

　　42V/14V双电压方案

　　汽车电源的电压从上世纪50年代的6V改为12V，己有50多年的历史。自1990年开始，汽车用电量每年以5％～8％的比例增加，其平均电力负荷的发展历史与趋势见图1。随着汽车技术的不断进步，将会有越来越多的电气及电子系统被应用到汽车上。

　　20世纪90年代，汽车设计者提出的提高汽车电源电压的构想，很快得到汽车研究者、汽车制造商、零部件制造商的一致认同，并制定了汽车电源42V电压的相关标准。

　　汽车供电系统由现有的14V标准向42V标准转化已经成为必然发展趋势，并将在未来数年内得到迅速发展，从而导致汽车电器电子产品的一场革命。汽车新供电系统标准的实施，对汽车电子工业的传统产品将带来巨大的冲击。这对于我国来说既是一次挑战，也是一次难得的机遇。我们应在汽车电源改革的过程中，积极参与研发，与国际汽车电器电子产品接轨。

　　1 42V汽车电气系统优点

　　1.1 电压安全、易得

　　根据欧洲的安全法规定人体的安全电压在50V以内，任何超过60V电压的系统，在导线和连接处都要有特殊的绝缘措施，这将增加系统的重量和成本。因此，选择42V电压，就是希望在满足电能需要的同时，能像传统的12V系统一样，即使触碰到电极或金属车体时也不会对人体安全造成威胁。

　　42V电压值是目前汽车发电机输出电压14V的3倍，其采用的36V蓄电池有利于使用3节传统的12V铅酸蓄电池串联改装组成。

　　1.2 显着降低汽车线束成本

　　现代汽车拥有长达2km的导线、2000多个线头和350多个集线器，42V电源系统可大幅度降低这些线束的重量及成本。从理论上讲，传输同样的功率，42V系统的电流只有14V系统的三分之一，这样就降低了电机及电力元件的电流负荷，也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的近九分之一，并可以减小导线截面积以降低重量。

　　1.3 使大量高新技术被广泛应用

　　有了42V电源系统，许多以前看似不切实际或不可能的技术也都变得可行了。在42V电气系统中，线控技术、行驶平顺性控制装置、电子加热式催化器和电磁阀系统、主动悬挂和电动四轮辅助驱动装置都能更有效地使用，为车辆的结构改进提供了更大的可能性（表1）。

　　使用42V电源系统，发动机的一些长期运转的附件如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等呵直接由新的电源系统驱动，从而减少空转消耗，提高能源利用效率。对于电动制动系统，由电源直接驱动，可省去液压或气压系统，带来更好的驾驶舒适性和更好的燃油经济性。

　　1.4 可大幅度提高发电机效率

　　目前汽车使用的硅整流发电机效率在60c/~以下。硅整流发电机输出电流大，电枢绕组的电流密度达10A/ram，很多能量被励磁绕组、电枢绕组和整流元件消耗掉了。

　　42V电源系统可在整个发动机转速范围内提供较高的电流输出，电机效率可达到80％以上，目。功率达到8kw以上酉门子VDO产品输出10～15kW，效率可达85％。

　　1.5 有利于发展混和动力车

　　采用42V电源后，若没讣启动发电集成装置（ISA），则可实现以下功能：

　　①在汽车起步时，增强了启动加速性能，在很短时间内（通常为0.1～0.2s）将内燃机加速到超过怠速转速，然后内燃机开始点火，实现发动机无怠速工况；

　　②汽车较长时间处于停车状态，如遇红灯时，控制系统会自动切断内燃机供油，内燃机停止运行；

　　③汽车正常行驶时，ISA为发电机工况，向电池充电；

　　④汽车加速或爬坡时，ISA工作在电动机工况，为发动机提供辅助推进动力，使发动机工作在高效区，提高了效率，降低了燃油消耗6）已经具备一定的研究基础

　　目前，42V电气系统结构已经得到了国际汽车工业界的认可，并已在一些车辆上被采用，如沃尔沃公司的$80和福特公司的混合动力车Explorer。

　　2 运行模式

　　在新的电气系统中，有两种实施方案：一种是全车42V单一电压方案；另一种是42V/14V双电压方案。

　　2.1 单一电压运行模式

　　42V电气系统的单一电压方案如图2所示，42V单一电压会对目前的汽车零配件制造商造成大冲击，因此推广有一定困难。

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　　由于42V电源系统涉及到的产品技术改造的范围太广，因此反对电压升级的声音也不少，尤其是配件供应商，因为产品改造必将增大他们的成本因此，作为过渡阶段的42V/14V双电压系统的方案，正被越来越多的人所关注。

　　双电压系统对现有汽车零部件商的冲击较小，因此汽车业倾向于这种方案。如图3所示的双电压系统，需要有一个DC/DC转换器将42V电压转换成l4V电压，因而需要2个蓄电池（12V和36V）。而只有当大量的部件都适应42V车用电源的时候，才能大批量生产纯42V的车用电源。

　　双电压系统将汽车电器与电控装置根据耗电量的大小分为两组，传统的中小功率用电器为一组，如灯具、仪表、电动雨刷等采用14V电源供电；而大功率用电器如发动机控制单元、加热、电动悬架等电器则直接采用42V的电源供电。交流发电机经整流调压后得到42V电压供给高功率负载并对36V蓄电池充电，而42V电压经DC/DC变换器之后为14V电气系统供电。

　　3 稀土永磁发电机的设计

　　12V提升到42V供电系统的转变给汽车电器元件也带来了较大变革，如新型葺电池、启动机、发电机等。42V汽车电源系统主要有42V发电机、36V蓄电池和DC/DC直流交换器组成。36V蓄电池可由三节12V蓄电池串连而成，DC/DC直流交换器也已有许多机构进行开发。

　　当前主要有3种发电机可供选择：

　　1）永磁发电机。

　　永磁电机具有很高的能量转化效率和可靠性。

　　2）有刷硅整流发电机。

　　目前汽车使用的大部分是有刷硅整流发电机，但是该机带有碳刷滑环装置，碳刷容易磨损，寿命短，故障率高。

　　3）无刷硅整流发电机。

　　无刷硅整流发电机维护简便，可靠性高，但该机增加了磁场气隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。

　　目前稀土永磁材料已经具备了较高的性价比，现代电力电子技术也为研制出斩波式的电子稳压器奠定了基础。因此，利用稀土永磁材料和现代电力电子元件研制出结构简单、发电效率高、寿命长的42V稀土永磁发电机具有较高的研究价值和广阔的推广前景。

　　设计的钕铁硼永磁发电装置结构示意图如图4所示，还研制了三相半控桥整流稳压电路（图5）。该电路由三相半控桥整流电路、电压信号取样电路和触发电路组成。当发电机输出电压低于目标稳压值时，电子稳压器为三相整流输出。当发电机输出电压高于目标稳压值时，电压信号取样电路自动使三相半控桥整流电路瞬时断开，降低输出电医当发电机输出电压再低于目标稳压值时，三相半控桥整流电路再恢复工作，周而复始。通过整流、斩波，保证了发电机输出电压稳定的直流电。

　　4 性能试验

　　42v永磁发电机采用12极有极靴星形转子式三相永磁同步发电机，发电机额定电压，42V；额定功率，3000W；额定转速，4000r/mln。磁性材料选用钕铁硼NTP30H，剩磁感应强度Br=1.12T，磁场强度Hc=790kA/m，最大磁能积，224～256kJ/m。在负载功率分别为2800，3000和3200W的条件下，对新研制的三相半控桥式整流稳压钕铁硼永磁发电机从低速到高速进行性能试验，试验结果如表2所示。

　　从表2中看出，当发电机转速由2000r/min变化到4800r/min时，负载功率由2800W变化到3200W时，输出电压稳定在37.17—42.63V之间，该性能指标达到了设计要求。

　　5 结论

　　1）目前汽车电源系统由14V电源向42V电源发展已经是必然的趋势，就像上世纪50年代将6V电源升级至现行的12V电源一样势不可挡。

　　2）作为过渡阶段，对42V/14V双电压系统的研究将会是汽车界最近时期的一个研发热点。

　　3）42V汽车供电系统标准的实施，将对汽车电器与电子设备带来巨大的冲击，同时也会给整个汽车界带来新一轮的技术革命。