- 探究42V電源系統
- 42V汽車(chē)電氣系統優(yōu)點(diǎn)
- 汽車(chē)采用42V電源
- 42v永磁發(fā)電機采用12極永磁同步發(fā)電機
汽車(chē)電源的電壓從上世紀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，其平均電力負荷的發(fā)展歷史與趨勢見(jiàn)圖1。隨著(zhù)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被應用到汽車(chē)上。
20世紀90年代，汽車(chē)設計者提出的提高汽車(chē)電源電壓的構想，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同，并制定了汽車(chē)電源42V電壓的相關(guān)標準。
汽車(chē)供電系統由現有的l4V標準向42V標準轉化已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢，并將在未來(lái)數年內得到迅速發(fā)展，從而導致汽車(chē)電器電子產(chǎn)品的一場(chǎng)革命。汽車(chē)新供電系統標準的實(shí)施，對汽車(chē)電子工業(yè)的傳統產(chǎn)品將帶來(lái)巨大的沖擊。這對于我國來(lái)說(shuō)既是一次挑戰，也是一次難得的機遇。我們應在汽車(chē)電源改革的過(guò)程中，積極參與研發(fā)，與國際汽車(chē)電器電子產(chǎn)品接軌。
1 42V汽車(chē)電氣系統優(yōu)點(diǎn)
1.1 電壓安全、易得
根據歐洲的安全法規定人體的安全電壓在50V以?xún)?，任何超過(guò)60V電壓的系統，在導線(xiàn)和連接處都要有特殊的絕緣措施，這將增加系統的重量和成本。因此，選擇42V電壓，就是希望在滿(mǎn)足電能需要的同時(shí)，能像傳統的12V系統一樣，即使觸碰到電極或金屬車(chē)體時(shí)也不會(huì )對人體安全造成威脅。
42V電壓值是目前汽車(chē)發(fā)電機輸出電壓14V的3倍，其采用的36V蓄電池有利于使用3節傳統的12V鉛酸蓄電池串聯(lián)改裝組成。
1.2 顯著(zhù)降低汽車(chē)線(xiàn)束成本
現代汽車(chē)擁有長(cháng)達2km的導線(xiàn)、2000多個(gè)線(xiàn)頭和350多個(gè)集線(xiàn)器，42V電源系統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系統的電流只有14V系統的三分之一，這樣就降低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線(xiàn)及功率元件的傳輸損耗降低為原來(lái)的近九分之一，并可以減小導線(xiàn)截面積以降低重量。
1.3 使大量高新技術(shù)被廣泛應用
有了42V電源系統，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、主動(dòng)懸掛和電動(dòng)四輪輔助驅動(dòng)裝置都能更有效地使用，為車(chē)輛的結構改進(jìn)提供了更大的可能性（表1）。
使用42V電源系統，發(fā)動(dòng)機的一些長(cháng)期運轉的附件如轉向助力泵、水泵、冷卻風(fēng)扇、空調壓縮機和氣泵等呵直接由新的電源系統驅動(dòng)，從而減少空轉消耗，提高能源利用效率。對于電動(dòng)制動(dòng)系統，由電源直接驅動(dòng)，可省去液壓或氣壓系統，帶來(lái)更好的駕駛舒適性和更好的燃油經(jīng)濟性。
[page]
1.4 可大幅度提高發(fā)電機效率
目前汽車(chē)使用的硅整流發(fā)電機效率在60c/~以下。硅整流發(fā)電機輸出電流大，電樞繞組的電流密度達10A/ram，很多能量被勵磁繞組、電樞繞組和整流元件消耗掉了。
42V電源系統可在整個(gè)發(fā)動(dòng)機轉速范圍內提供較高的電流輸出，電機效率可達到80％以上，目。功率達到8kw以上酉門(mén)子VDO產(chǎn)品輸出10～15kW，效率可達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)現以下功能：
①在汽車(chē)起步時(shí)，增強了啟動(dòng)加速性能，在很短時(shí)間內（通常為0.1～0.2s）將內燃機加速到超過(guò)怠速轉速，然后內燃機開(kāi)始點(diǎn)火，實(shí)現發(fā)動(dòng)機無(wú)怠速工況；
②汽車(chē)較長(cháng)時(shí)間處于停車(chē)狀態(tài)，如遇紅燈時(shí)，控制系統會(huì )自動(dòng)切斷內燃機供油，內燃機停止運行；
③汽車(chē)正常行駛時(shí)，ISA為發(fā)電機工況，向電池充電；
④汽車(chē)加速或爬坡時(shí)，ISA工作在電動(dòng)機工況，為發(fā)動(dòng)機提供輔助推進(jìn)動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機工作在高效區，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：
早在20世紀90年代，德國便成立車(chē)載電源論壇，成員有大眾、奧迪、寶馬、歐寶和保時(shí)捷等汽車(chē)公司。該機構提出了14V/42V雙電壓供電系統的規范草案。另外，福特公司與麻省理工學(xué)院電發(fā)起組織了MIT/7.業(yè)聯(lián)盟，成員包括通用、戴姆勒一奔馳、寶馬、雷諾、西門(mén)子、博世、摩托羅拉、德?tīng)柛５戎?chē)商、零部件商及電子電訊商。該組織主要研究14V/42V雙電壓供電系統對汽車(chē)電器與電子設備的影響及實(shí)現方法。美國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )（SAE）也專(zhuān)門(mén)成立了雙/高電壓車(chē)輛電子系統委員會(huì )。
目前，42V電氣系統結構已經(jīng)得到了國際汽車(chē)工業(yè)界的認可，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 運行模式
在新的電氣系統中，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5。
2.1 單一電壓運行模式
42V電氣系統的單一電壓方案如圖2所示：
2.2 42V/14V雙電壓運行模式
由于42V電源系統涉及到的產(chǎn)品技術(shù)改造的范圍太廣，因此反對電壓升級的聲音也不少，尤其是配件供應商，因為產(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雙電壓系統的方案，正被越來(lái)越多的人所關(guān)注。
雙電壓系統對現有汽車(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，需要有一個(gè)DC/DC轉換器將42V電壓轉換成l4V電壓，因而需要2個(gè)蓄電池（12V和36V）。
而只有當大量的部件都適應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。
雙電壓系統將汽車(chē)電器與電控裝置根據耗電量的大小分為兩組，傳統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)電機經(jīng)整流調壓后得到42V電壓供給高功率負載并對36V蓄電池充電，而42V電壓經(jīng)DC/DC變換器之后為l4V電氣系統供電。
3 稀土永磁發(fā)電機的設計
12V提升到42V供電系統的轉變給汽車(chē)電器元件也帶來(lái)了較大變革，如新型葺電池、啟動(dòng)機、發(fā)電機等。42V汽車(chē)電源系統主要有42V發(fā)電機、36V蓄電池和DC/DC直流交換器組成。36V蓄電池可由三節12V蓄電池串連而成，DC/DC直流交換器也已有許多機構進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
當前主要有3種發(fā)電機可供選擇：
1）永磁發(fā)電機。
永磁電機具有很高的能量轉化效率和可靠性。
[page]
2）有刷硅整流發(fā)電機。
目前汽車(chē)使用的大部分是有刷硅整流發(fā)電機，但是該機帶有碳刷滑環(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。
它維護簡(jiǎn)便，可靠性高，但該機增加了磁場(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，現代電力電子技術(shù)也為研制出斬波式的電子穩壓器奠定了基礎。因此，利用稀土永磁材料和現代電力電子元件研制出結構簡(jiǎn)單、發(fā)電效率高、壽命長(cháng)的42V稀土永磁發(fā)電機具有較高的研究?jì)r(jià)值和廣闊的推廣前景。
設計的釹鐵硼永磁發(fā)電裝置結構示意圖如圖4所示，還研制了三相半控橋整流穩壓電路（圖5）。該電路由三相半控橋整流電路、電壓信號取樣電路和觸發(fā)電路組成。當發(fā)電機輸出電壓低于目標穩壓值時(shí)，電子穩壓器為三相整流輸出。當發(fā)電機輸出電壓高于目標穩壓值時(shí)，電壓信號取樣電路自動(dòng)使三相半控橋整流電路瞬時(shí)斷開(kāi)，降低輸出電醫當發(fā)電機輸出電壓再低于目標穩壓值時(shí)，三相半控橋整流電路再恢復工作，周而復始。通過(guò)整流、斬波，保證了發(fā)電機輸出電壓穩定的直流電。
4 性能試驗
42v永磁發(fā)電機采用12極有極靴星形轉子式三相永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機額定電壓，42V；額定功率，3000W；額定轉速，4000r/mln。磁性材料選用釹鐵硼NTP30H，剩磁感應強度Br=1.12T，磁場(chǎng)強度Hc=790kA/m，最大磁能積，224～256kJ/m。在負載功率分別為2800，3000和3200W的條件下，對新研制的三相半控橋式整流穩壓釹鐵硼永磁發(fā)電機從低速到高速進(jìn)行性能試驗，試驗結果如表2所示。
從表2中看出，當發(fā)電機轉速由2000r/min變化到4800r/min時(shí)，負載功率由2800W變化到3200W時(shí)，輸出電壓穩定在37.17—42.63V之間，該性能指標達到了設計要求。
5 結論
1）目前汽車(chē)電源系統由14V電源向42V電源發(fā)展已經(jīng)是必然的趨勢，就像上世紀50年代將6V電源升級至現行的12V電源一樣勢不可擋。
2）作為過(guò)渡階段，對42V/14V雙電壓系統的研究將會(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)供電系統標準的實(shí)施，將對汽車(chē)電器與電子設備帶來(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。
