汽车高电压直流电系统

1、汽车高电压直流流电系统2007年8月月3日 111:13 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，这样不仅增加

2、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。由于电控系统控制灵活

3、，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2kW。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

4、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

5、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14V42V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) 14V42V过渡型电气系统1) 14V42V过渡型电气系统结构和设计方案14V42V过渡型电气系统由大功率起动机和发电机、DCDC转换

6、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1219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

7、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系统过渡打下基础。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1442V过渡型电气系统设计方案。图12-20是1442V过渡型电气系统的几种设计方案。2) 14V42V过渡型电气系统的关键技术14V42V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。DCDC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行深入研究。同时，整流一逆

8、变功率转换器功率双向流动对DCDC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14v42V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14V42V过渡型电气系统在汽车运行时的功率流向与分配。对以DCDC转换器为核心的14V42V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。(2) 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、控制系统更简单和仅需配置一组同等电压的蓄电池，但目前生产工

9、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6000rmin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13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终终结型电气系系统的关键技技术与12VV42V过过渡型电气系系统一样，为为了确定交流流发电机和蓄蓄电池等关键

10、键器件的容量量，要计算和和研究42VV终结型电气气系统在汽车车运行时的功功率流向与分分配。电气系系统中的交流流发电机具有有较大的输出出功率和可逆逆性，通过配配置半导体整整流一逆变功功率转换器，可可将交流发电电机和起动电电动机合成为为一个起动发电复合装装置。当汽车车起动时，起起动发电复复合装置按起起动电动机工工作。此时，336V蓄电池池通过整流一一逆变功率转转换器向起动动发电复合合装置供电。当当汽车正常运运行时，起动动发电复合合装置按发电电机工作。复复合装置发出出的42V电电能经整流一一逆变功率转转换器整流后后，向36VV蓄电池充电电和向其他用用电设备供电电。起动发发电复合装置置按发电机工工作时

11、，还可可根据需要输输出不同的发发电电压。这这种起动发发电复合装置置目前已经开开发出了感应应式、永磁式式和开关磁阻阻式等几种形形式。起动发电复合装装置不仅对燃燃油汽车，而而且对电动汽汽车和混合动动力汽车都具具有重要的意意义。该装置置集起动机和和发电机于一一身，要求具具备减振、制制动能量回收收和辅助驱动动等功能，因因而制造成本本高、价格昂昂贵。只有当当与之相联系系的其他配套套系统投入使使用后，起动动发电复合合装置才能更更好地发挥作作用。当电子子电器系统中中有12V和和36V两种种电源需要时时，42V单单电压交流发发电机必须配配备DCDDC转换器，如如图12-220(a)、(c)所示。DDCDC转转

12、换器用一组组IGBT功功率晶体管按按脉宽调制器器PWM方式式工作，通过过调整矩形波波电压的占空空比来改变输输出电压的平平均值，从而而得到理想的的两种需求电电压。3442V电气系系统对未来汽汽车的影响442V电气系系统的应用，将将使汽车整车车和零部件的的设计理念产产生重大变革革。传统汽车车的一些零部部件甚至总成成将被淘汰，另另一些零部件件要进行优化化设计，并且且还要研究开开发出一批适适用于新电源源系统的零部部件。(1) 对汽车整整车的影响有有了足够功率率的电源，汽汽车电子导航航系统、全球球卫星定位系系统、车载计计算机系统、电电动动力转向向、电子制动动、电子伺服服制动、电动动水泵、电动动窿椅、电加

13、加热座椅及电电加热三元催催化转化器等等技术在汽车车上都将有用用武之地，汽汽车也将向智智能化汽车方方向发展。(2) 对汽汽车发动机的的影响电控气气门配气相位位和电磁阀技技术的应用，使使发动机可取取消传统的凸凸轮轴、气门门挺柱挺杆、气气门摇臂及轴轴、液力挺杆杆及正时齿轮轮等部件，使使发动机结构构简化，质量量更轻，体积积更小，而发发动机效率得得到提高。(3) 对电电动机及电磁磁阀的影响使使用36V电电源，配合更更好的定子绕绕组和电磁线线圈材料，将将使汽车电控控系统执行部部分的电动机机和电磁阀的的整体质量降降低20左左右。体积小小、质量轻的的电动机将使使车门减薄，座座椅周围空间间增大，汽车车乘坐更加宽

14、宽敞舒适。(4) 对照照明系统的影影响系统电压压提高后，现现在的照明装装置均不能采采用。前照灯灯必须采用高高强度放电灯灯，并配备功功能可靠的防防眩目装置。其其他灯具也将将采用氖气灯灯，以延长使使用寿命。(5) 对电电气开关和连连接器件的影影响42V电电压引起的电电气开关接触触瞬间的电磁磁辐射要尽量量降低。传统统机械式的继继电器、断电电保护器、调调节器因产生生电磁辐射，将将被淘汰。大大量的功率半半导体器件使使熔断丝式的的保护电路被被废除。具有有自诊断功能能和电路保护护能力的多路路传输控制系系统将被广泛泛采用。442V电气气系统现状从从20世纪990年代中期期开始，一些些国际性和区区域性联合研研究

15、机构，开开始专门研究究和制定汽车车用42V直直流供电标准准和电气系统统问题。德国国汽车制造商商戴姆勒-奔奔驰公司和零零部件供应商商SICANN发起组织的的车用电源论论坛，参加的的汽车公司有有奥迪、宝马马、大众、保保时捷等。美美国福特汽车车公司与麻省省理工学院(MIT)发发起组织的MMIT工业业联盟车用电电源论坛，参参加的汽车公公司有通用、戴戴姆勒-奔驰驰、宝马、欧欧宝、雷诺、富富豪、西门子子、博世、摩摩托罗拉、德德尔福、AMMP等国际汽汽车制造商、零零部件制造商商、半导体器器件制造商及及自动化装置置制造商等。后后一组织在11998年110月的美国国底特律会议议上就一致赞赞成研制开发发42V汽车车用蓄电池。为为了推动这一一新