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1、汽车高电压直流电系统2007 年 8 月 3 日 11:13汽车上使用的是直流电系统，用电设备以蓄电池储存电能或发电机发出交流电再整流为直流电工作。 柴油机动力汽车一般使用24V蓄电池，汽油机汽车一般使用12V蓄电池。从直流电功率计算公式P=IU可知，在现有蓄电池或发电机直流供电系统中，当供电电压是12V额定 电压时，要想为大功率用电设备或装置提供电能，必须大大提高蓄电池输出电流或大幅度增加交流发 电机的输出电流。低电压大电流输出会极大地伤害蓄电池，降低蓄电池的使用寿命甚至报废蓄电池， 低电压大电流输出会降低爪极式交流发电机的效率。为了降低直流输电线路上的电阻热损耗，导线的 截面积将增加几倍，
2、这样不仅增加了整车装备的质量，而且对发动机机舱和车厢内的空间布置也会带 来困难。由此可见，随着汽车电子电器系统大量使用带来的用电功率的大幅度提高，现有的12V汽车 直流电供电系统很难满足要求。提高蓄电池电压和提高交流发电机输出电压以满足汽车电子电器用电 功率提高的需要，是现代汽车直流供电系统的一个解决办法1 .将汽油机汽车的发电电压标准由14V提高到42V汽车电子电器元件在汽车上应用的日益增加，使汽车原有的电能供应系统出现严重不足。20世纪80年代以来，随着人们对汽车乘坐舒适性、燃油经济性及环境保护对降低汽车有害物排放的 要求越来越高，以及汽车上的新装置和新技术不断增多，汽车的电能耗量不断增加
3、。由于电控系统控 制灵活，电能传输和转换简便容易，采用电磁或电动执行器取代液压传动和气压传动执行器已成为汽 车电控系统的一种趋势。带电控的机械系统逐步转变为带机械的电子系统，将使电能负荷大大增加。以美国雷诺汽车公司为例,1980年以来，汽车电子电器系统的电能消耗量以每年大约4%的幅度增加，汽车用交流发电机的输出功率从原来的几百瓦增加到约1.5kW。图1是汽车用交流发电机平均峰值功率增长图。当时预测的2005年豪华轿车的电子电器装置用电功率见表1,夏天汽车用电功率将超过2kWolOOOOOr地长比率t1920 19)0 1940 1950 1960 1970 IWO IW XW 2010 X30
4、 2030 年1汽车用交流发动机平均峥位功率增长图 1例溯2005年华轿率电子电H装用电功率|倒学均值电岗(ill. WOOrmm)800抑,京*MI030030震动机冷闻风扇800300殳电子瑞雪验收10001001002M一25030006(1120电控12000360360遢信导航音胸系履100100100Alt2m1760燃油价格的不断高涨，迫使优先考虑改进汽车效率来降低燃油消耗、延长矿物类燃料的使用时间等。同时，将汽油机汽车的发电系统电压标准由14V提高到42V,在满足汽车用电功率需求的同时，获得 更高的汽车经济性能。2 . 14V变42V的解决措施汽油机汽车采用12V直流供电电压已
5、有30多年历史，12V电压对改善汽车起动性能和提高汽车电器效率起到了一定作用。在功率一定的条件下，将供电直流电压提高，则供电电流将减小，从而可大大 减小输电电缆、交流发电机和直流电动机、电磁线圈等电器零部件的尺寸和质量。提高直流电压，还 可以使汽车新技术如发动机电子控制气阀、飞轮内装起动机和发电机的一体化，以及电子控制电动制 动器、电子控制电动转向系等在汽车上更方便的应用，而汽车装备质量不会明显增加，汽车运行效率 得以提高。在现有技术和生产工艺下，如果交流发电机输出电压为14V,输出功率为2kW,若将输出电压提高到 28V,则输出功率可翻番至4kW左右。当输出电压再增加到42V时，其输出功率就
6、可增大至6kW, 甚至更高。如输出电压超过60V,汽车用电安全性将大大降低，系统漏电将造成人身伤亡事故。因此，为了避免 触电，输电导线和插接器的绝缘材料和绝缘性能要求更高，从而引发一系列问题出现，因此输出电压 确定为42V是安全合理的。在目前大部分汽车仍在使用12V直流设备的情况下，提出了 14V/42V过渡型电气系统和42V终结型 电气系统两种类型的解决方案。(1) 14V/42V过渡型电气系统1) 14V/42V过渡型电气系统结构和设计方案14V/42V过渡型电气系统由大功率起动机和发电机、DC/DC转换器、36V吸液性玻璃纤维(AGM) 铅酸蓄电池和最新型12V锂聚合物蓄电池等组成，图1
7、2. 19是这种电源系统的结构示意图。这种系 统的特点是按电子电器设备的消耗功率，将用电装置分成为42V供电系统组和14V供电系统组两组。 排气三元催化转换系统、挡风玻璃加热装置、发动机电动冷却风扇、电控悬架系统和电磁阀驱动电路 等，采用42V供电系统，可大幅度降低负载电流，减小用电装置体积，容易实现高集成度的小型化电 子元器件。传统汽车照明系统，过高电压会对采用灯丝型灯光系统造成不利影响，而保持14V供电系统。汽车信号装置、汽车仪表、电动车窗及中控门锁、发动机电控燃油喷射系统和电子点火系统等, 保持14V供电系统，就可以充分利用现有的制造工艺和技术，降低电子元器件成本，为逐渐稳定地向42V系
8、统过渡打下基础。图2 14/42V过渡S1电源系统结构ML中小功率负0； 4大功率负载德尔福汽车公司在1999年9月的德国法兰克福国际汽车展中展出了 14/42V过渡型电气系统设计方 案。图12-20是14 / 42V过渡型电气系统的几种设计方案。2） 14V/42V过渡型电气系统的关键技术14V / 42V过渡型电气系统中需要36V和12V两组蓄电池，导致汽车整备质量增加和安装空间紧张， 因此应研制体积小、质量轻和能量密度高的组合高性能蓄电池来满足双路电压输出的需要。DC/DC转换器以脉宽调制方式，工作在很高的频率（工作频率通常为1520kHz）,因此必须对有源 滤波技术及电磁干扰控制技术进
9、行深入研究。同时，整流一逆变功率转换器功率双向流动对DC/DC 转换器的影响也不能忽视。电气系统中产生的瞬态现象对功率半导体器件耐压的影响和控制及瞬态现象对14v/42V电压技术规 范的兼容性有待研究解决。为了确定交流发电机和蓄电池等关键器件的容量，需计算和研究14V/42V过渡型电气系统在汽车运 行时的功率流向与分配。对以DC / DC转换器为核心的14V / 42V过渡型电气系统的总线能量，要实行多路远程开关技术控制 等方式的有效管理，使系统电能分配在汽车运行时，始终处于最佳状态。42V终结型电气系统1)42v终结型电气系统的实现难点以42V直流电压工作的电气系统效率更高、控制系统更简单和
10、仅需配置一组同等电压的蓄电池，但目 前生产工艺实现起来较困难，产品价格也不容易为人们所接受。以现有的电控执行器电动机为例，要 保持6000r/min的转速，当电源电压从12V增加到36V后，理论上电动机定子导线线径只需要将原 来线径的1 /3或将绕组匝数增加为原来的3倍。若绕组导线线径太细，则现有生产工艺很难制造，且 电动机工作可靠性能会下降。若绕组匝数增加，则电动机体积过大，这与汽车电子电器设备小型化、 轻量化发展方向相矛盾。若使用更好的材料和可靠绝缘，虽然能满足制造工艺和工作可靠性要求，但 会使制造工艺复杂，产品成本增加，难以普及2) 42V终结型电气系统的关键技术与12V/42V过渡型电
11、气系统一样，为了确定交流发电机和蓄电池等关键器件的容量，要计算和研究42V 终结型电气系统在汽车运行时的功率流向与分配。电气系统中的交流发电机具有较大的输出功率和可逆性，通过配置半导体整流一逆变功率转换器，可将交 流发电机和起动电动机合成为一个起动/发电复合装置。当汽车起动时，起动/发电复合装置按起动电动 机工作。此时，36V蓄电池通过整流一逆变功率转换器向起动/发电复合装置供电。当汽车正常运行时， 起动/发电复合装置按发电机工作。复合装置发出的42V电能经整流一逆变功率转换器整流后，向36V蓄 电池充电和向其他用电设备供电。起动/发电复合装置按发电机工作时;还可根据需要输出不同的发电电 压。
12、这种起动/发电复合装置目前已经开发出了感应式、永磁式和开关磁阻式等几种形式。起动/发电复合装置不仅对燃油汽车，而且对电动汽车和混合动力汽车都具有重要的意义。该装置集起动 机和发电机于一身，要求具备减振、制动能量回收和辅助驱动等功能，因而制造成本高、价格昂贵。只有 当与之相联系的其他配套系统投入使用后，起动/发电复合装置才能更好地发挥作用。当电子电器系统中有12V和36V两种电源需要时，42V单电压交流发电机必须配备DC/DC转换器，如 图1220(a)、(c)所示。DC/DC转换器用一组IGBT功率晶体管按脉宽调制器PWM方式工作，通过调整 矩形波电压的占空比来改变输出电压的平均值，从而得到理
13、想的两种需求电压。3) 42V电气系统对未来汽车的影响42V电气系统的应用，将使汽车整车和零部件的设计理念产生重大变革。传统汽车的一些零部件甚至总成 将被淘汰，另一些零部件要进行优化设计，并且还要研究开发出一批适用于新电源系统的零部件。(1)对汽车整车的影响有了足够功率的电源，汽车电子导航系统、全球卫星定位系统、车载计算机系统、电动动力转向、电子制 动、电子伺服制动、电动水泵、电动窿椅、电加热座椅及电加热三元催化转化器等技术在汽车上都将有用 武之地，汽车也将向智能化汽车方向发展。(2)对汽车发动机的影响电控气门配气相位和电磁阀技术的应用，使发动机可取消传统的凸轮轴、气门挺柱挺杆、气门摇臂及轴、
14、 液力挺杆及正时齿轮等部件，使发动机结构简化，质量更轻，体积更小，而发动机效率得到提高。(3)对电动机及电磁阀的影响使用36V电源，配合更好的定子绕组和电磁线圈材料，将使汽车电控系统执行部分的电动机和电磁阀的整 体质量降低20%左右。体积小、质量轻的电动机将使车门减薄，座椅周围空间增大，汽车乘坐更加宽敞舒 适。(4)对照明系统的影响 系统电压提高后，现在的照明装置均不能采用前照灯必须采用高强度放电灯，并配备功能可靠的防眩目 装置。其他灯具也将采用速气灯，以延长使用寿命。(5)对电气开关和连接器件的影响42V电压引起的电气开关接触瞬间的电磁辐射要尽量降低。传统机械式的继电器、断电保护器、调节器因
15、 产生电磁辐射，将被淘汰。大量的功率半导体器件使熔断丝式的保护电路被废除。具有自诊断功能和电路 保护能力的多路传输控制系统将被广泛采用。4) 42V电气系统现状从20世纪90年代中期开始，一些国际性和区域性联合研究机构，开始专门研究和制定汽车用42V直流供 电标准和电气系统问题。德国汽车制造商戴姆勒-奔驰公司和零部件供应商SICAN发起组织的车用电源论 坛，参加的汽车公司有奥迪、宝马、大众、保时捷等。美国福特汽车公司与麻省理工学院(MIT)发起组织的 MIT/工业联盟车用电源论坛，参加的汽车公司有通用、戴姆勒-奔驰、宝马、欧宝、雷诺、富豪、西门子、 博世、摩托罗拉、德尔福、AMP等国际汽车制造
16、商、零部件制造商、半导体器件制造商及自动化装置制造 商等。后一组织在1998年10月的美国底特律会议上就一致赞成研制开发42V汽车用蓄电池。为了推动这 一新的汽车电气系统与相关技术的发展，美国汽车工程师协会(SAE)还成立了双电压车辆(42V系统和14/ 42V系统)电气系统委员会。目前，我国汽车工程协会也在组织会议和有关汽车公司深入研讨42V电源问题。得到国际汽车工业界广泛认可的14V / 42V电气系统和42V电气系统进入实用化阶段已为期不远。由于新 系统大量采用功率半导体元器件和微电子器件结合的控制装置，不仅对传统汽车电器会带来很大的冲击， 而且对汽车电子电器零部件的产业结构也会产生深远的影响。