电压升级与数据总线技术

1.新型的双电压供电系统在汽车上应用势在必行　　

一些带电的机械装置逐步转变为带机械的电子装置，大大增加了电气系统的负荷。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电气提供更高的电能，传统的14V电压供电系统已经捉襟见肘，一种新型的双电压(14/42V)供电系统即将在汽车上应用。雷诺汽车公司1980年以来,汽车电气系统的用电量以每年大约4%的幅度增加，交流发电机输出功率从几百瓦增加到现在的约1.5kW。预计2005年豪华轿车上选装的带电子(磁)的负载及功耗消耗可达5kW左右。

　2.汽车电压升级的解决方案　　

进入21世纪，汽车电压升级的问题就进入了实质性的议事日程，试验性应用已经开始。在新的电气系统中，有两种实施方案，一种是全车42V单电压方案，另一种是14V/42V双电压方案。前者会对目前汽车零配件制造行业产生重大冲击，后者则冲击较小，过渡平缓。因此汽车工业界倾向于双电压方案。目前汽车业已就使用14/42V电压供电来达成一致。　　

如何提高汽车供电系统的电压，已成为一些国际论坛中的讨论热点，尤其在欧洲，由于燃油价格较高，因此，对改进汽车效率放在优先地位。为了满足汽车电器装置日益增多、用电量愈来愈大对电源系统供电功率增大的要求，目前世界各国正在研究48V电源系统，欧洲共同体计划从2008年开始采用48V电源系统。有人建议将目前汽车上采用的12V电源改为42V(发电机输出电压14V的3倍)，因为从理论上讲，电压提高3倍，电流会减少65%。但电压改动将涉及整个汽车电气系统的技术改造，还涉及到配件供应商、配套商的利益问题。例如现在的蓄电池都是6V或l2V，实施升压要研制生产24V或48V的新型蓄电池。汽车上的发电机、起动机、雨刮电动机、微型电动机、灯泡、仪表、继电器等器件都要改。像其它新生事物一样，高电压电子系统目前仍面临许多挑战，还存在一些缺点需要克服。其中之一便是如何产生达到当前负荷要求的能量和如何得到所需新材料。

　　汽车交流发电机效率不高(每产生lW电能需要消耗2W发动机功率)，且怠速时输出特性只是满负荷时输出的1/4。这种情况下，如何发展还很难说，但交流发电机现今还不能在刚好高于怠速转速时产生90%的输出。双电路供电系统的缺点还有，例如需要两个14V及42V蓄电池组，因而增加了车辆附加承载，占用更大的空间及增加造价。而且尚待解决的问题不少，例如DC/DC变换器产生的电磁干扰;高电压瞬态现象及抑制控制方法;双电压电器系统在车辆运行时的功率流向及分配问题等等;尤其是安全问题，安全保险设置是头号的问题，绝缘和保险设置的标准要重新制定。涉及产品技术改造的范围太广，所以反对汽车电压升级的意见也不少，尤其是配件供应商，因为产品改造必然会加大他们的成本。　　[page]

3.14V/42V双电压开发进展　　

报载欧美的汽车制造商与零部件供应商已达成协议，将汽车的供电系统电压标准由l2V提高到42V,不久将开始执行。汽车上采用12V电压已有30多年历史，当时对改善启动性能，提高电器件效率起了一定作用。但目前己不适应技术发展的需要，从理论上讲电压提高3倍，电流就可减小2/3，因而可以大大减小电缆、电动机、线圈等尺寸及质量。特别是可使一些新技术如电子控制电动气阀机构、飞轮内装启动机/发电机一体式结构,以及电子控制电动制动器、转向系的应用成为可能;同时，可以减轻汽车质量并提高效率。但提高电压对采用灯丝型灯光系统有不利影响。因此有可能在开始阶段，仍保持l2V与42V同存一个时期。　　

为了解决日益增长的汽车电力供需之间的矛盾，美国通用公司已经研制一种适用于42伏特的汽车用电系统，电动汽车EV1将首先试行使用这套系统, 成为首辆使用42伏特的汽车。美国德尔福(Delphi)汽车系统公司正在开发输出功率为5千瓦级的“Energen5”和输出功率为10千瓦级的“Energen10”两种电气系统，以便用于采用42V电气系统的汽车。Energen5系统由起动机和发电机为一体的总成ISG（Integrated Starter Generator）和逆变器组成。使用对象主要是排气量为1～2升的小型轿车，该系统的目标是提高燃烧效率。发动机启动时，可将ISG的输出作为辅助动力传送至发动机；减速时，利用发动机过剩的旋转力量推动ISG来发电，并将电能储存在蓄电池中。采用这种系统能使发动机迅速起动，这样能减少尾气排放。而且，还能把以前汽车减速时浪费掉的能量储存到蓄电池里进行再利用。Energen10则可以提供电力以便在一段时间内完全靠电动机来驱动车轮，或者驱动今后将增添各种各样车载设备的车辆。该系统的开发主要着眼于次混合驱动（Mild Hybrid）车，适合用于高档轿车。除这上述2种系统外，该公司还在开发输出功率为20千瓦级的“Energen20”系统。该系统使用比42V更高的电压，比如150V或者200V、300V等。该系统是用于完全靠电动机来行驶的纯混合驱动汽车。Energen5和Energen10只需将现有汽车的部分零件更换后便可使用，而Energen20则要重新设计汽车的底盘和传动系统等。

目前，在汽车上己经开始越来越多地使用CAN数据总线。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CAN作为控制器联网的手段。由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主，因此欧洲车应用最广泛的CAN技术，也将是国产轿车引进的技术项目。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动

系统的高速CAN，速率达到500kbit/s，另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kbit/s。　　

随着汽车高电压系统的采用，半导体管体积将变小、价格也相应降低，实际上还推动了一项新技术--多路传输技术的发展。多路传输技术的原理是用一根电缆发送和接收来自车灯、传感器和其它电器设备的控制信号。采用高电压系统后，那些小巧价廉而灵敏的开关能降低多路传输技术的成本，从而可用于大型车辆。　　

目前全球汽车制造商将共同为未来电子系统电压制定一项新标准，即36V/12V双电压系统将和42V电压系统一起使用。预计第一个运用42V电压系统的汽车将在几年后出现，而且在随后的十年里国际汽车业将会发生一个长久、彻底的变化。几年前在底特律召开的SAE年会上，也有很多关于这方面的讨论，即如何去发展42V电压系统:目前面临的困难是什么:如何解决等等。　　

当然汽车电压升级的好处也显而易见。除了能减少线束截面积，减小电机体积外，还能趁机将车上的电器来一场“革命”，例如终结目前使用的机械式继电器，进入固态开关模式，采用电子模块代替目前的分立元件等。据行业人士认为，目前的豪华轿车使用1～3千瓦的功率，而到2010年高级轿车的使用功率将达到10～20千瓦，如果汽车性能要提高，设置要增多，唯有走电压升级这一条路才能解决问题。可以预见,汽车电气技术的改革，不论采用升压制或者数据总线制，或者两者都采用，它都会给汽车发展注入新的活力。　　

14/42V及42V电气系统已得到国际汽车工业界的广泛认可，因此，可以相信这一新的汽车电气系统进入实用化的时间已为期不远。由于该电气系统的固有特点，以功率半导体元器件同微电子器件相结合的控制装置，将在新的电气系统中获得大量应用，这将对传统的汽车电器带来较大的冲击，并对汽车电子、电器零部件的产业结构产生深远影响。目前，我国相关行业已对新的汽车电气系统给予了应有的关注，这一汽车新技术正进入研究起步阶段。