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42V汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2012-01-05

中心議題:

  • 42V汽車電氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
  • 汽車供電系統(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42V單一電壓方案
  • 42V/14V雙電壓方案


汽車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年開始,汽車用電量每年以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)見圖1。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步,將會(huì)有越來越多的電氣及電子系統(tǒng)被應(yīng)用到汽車上。

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

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

1  42V汽車電氣系統(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以內(nèi),任何超過60V電壓的系統(tǒng),在導(dǎo)線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 顯著降低汽車線束成本
現(xiàn)代汽車擁有長達(dá)2km的導(dǎo)線、2000多個(gè)線頭和350多個(gè)集線器,42V電源系統(tǒng)可大幅度降低這些線束的重量及成本。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)線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的近九分之一,并可以減小導(dǎo)線截面積以降低重量。
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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
采用42V電源后,若沒訃啟動(dòng)發(fā)電集成裝置(ISA),則可實(shí)現(xiàn)以下功能:
①在汽車起步時(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)加速到超過怠速轉(zhuǎn)速,然后內(nèi)燃機(jī)開始點(diǎn)火,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無怠速工況;
②汽車較長時(shí)間處于停車狀態(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;
③汽車正常行駛時(shí),ISA為發(fā)電機(jī)工況,向電池充電;
④汽車加速或爬坡時(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)得到了國際汽車工業(yè)界的認(rèn)可,并已在一些車輛上被采用,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,作為過渡階段的42V/14V雙電壓系統(tǒng)的方案,正被越來越多的人所關(guān)注。

雙電壓系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有汽車零部件商的沖擊較小,因此汽車業(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車用電源的時(shí)候,才能大批量生產(chǎn)純42V的車用電源。

雙電壓系統(tǒng)將汽車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)變給汽車電器元件也帶來了較大變革,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)無刷硅整流發(fā)電機(jī)。
無刷硅整流發(fā)電機(jī)維護(hù)簡便,可靠性高,但該機(jī)增加了磁場氣隙,漏磁大,材料利用率低,成本高。

目前稀土永磁材料已經(jīng)具備了較高的性價(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)簡單、發(fā)電效率高、壽命長的42V稀土永磁發(fā)電機(jī)具有較高的研究價(jià)值和廣闊的推廣前景。
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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,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)作為過渡階段,對(duì)42V/14V雙電壓系統(tǒng)的研究將會(huì)是汽車界最近時(shí)期的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。
3)42V汽車供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,將對(duì)汽車電器與電子設(shè)備帶來巨大的沖擊,同時(shí)也會(huì)給整個(gè)汽車界帶來新一輪的技術(shù)革命。

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