- 探究42V電源系統
- 42V汽車電氣系統優點
- 汽車采用42V電源
- 42v永磁發電機采用12極永磁同步發電機
汽車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年開始，汽車用電量每年以5％～8％的比例增加，其平均電力負荷的發展歷史與趨勢見圖1。隨著汽車技術的不斷進步，將會有越來越多的電氣及電子系統被應用到汽車上。
20世紀90年代，汽車設計者提出的提高汽車電源電壓的構想，很快得到汽車研究者、汽車制造商、零部件制造商的一致認同，并制定了汽車電源42V電壓的相關標準。
汽車供電系統由現有的l4V標準向42V標準轉化已經成為必然發展趨勢，并將在未來數年內得到迅速發展，從而導致汽車電器電子產品的一場革命。汽車新供電系統標準的實施，對汽車電子工業的傳統產品將帶來巨大的沖擊。這對于我國來說既是一次挑戰，也是一次難得的機遇。我們應在汽車電源改革的過程中，積極參與研發，與國際汽車電器電子產品接軌。
1 42V汽車電氣系統優點
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以內，任何超過60V電壓的系統，在導線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，就是希望在滿足電能需要的同時，能像傳統的12V系統一樣，即使觸碰到電極或金屬車體時也不會對人體安全造成威脅。
42V電壓值是目前汽車發電機輸出電壓14V的3倍，其采用的36V蓄電池有利于使用3節傳統的12V鉛酸蓄電池串聯改裝組成。
1.2 顯著降低汽車線束成本
現代汽車擁有長達2km的導線、2000多個線頭和350多個集線器，42V電源系統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，并可以減小導線截面積以降低重量。
1.3 使大量高新技術被廣泛應用
有了42V電源系統，許多以前看似不切實際或不可能的技術也都變得可行了。在42V電氣系統中，線控技術、行駛平順性控制裝置、電子加熱式催化器和電磁閥系統、主動懸掛和電動四輪輔助驅動裝置都能更有效地使用，為車輛的結構改進提供了更大的可能性（表1）。
使用42V電源系統，發動機的一些長期運轉的附件如轉向助力泵、水泵、冷卻風扇、空調壓縮機和氣泵等呵直接由新的電源系統驅動，從而減少空轉消耗，提高能源利用效率。對于電動制動系統，由電源直接驅動，可省去液壓或氣壓系統，帶來更好的駕駛舒適性和更好的燃油經濟性。
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1.4 可大幅度提高發電機效率
目前汽車使用的硅整流發電機效率在60c/~以下。硅整流發電機輸出電流大，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電源系統可在整個發動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以上酉門子VDO產品輸出10～15kW，效率可達85％。
1.5 有利于發展混和動力車
采用42V電源后，若沒訃啟動發電集成裝置（ISA），則可實現以下功能：
①在汽車起步時，增強了啟動加速性能，在很短時間內（通常為0.1～0.2s）將內燃機加速到超過怠速轉速，然后內燃機開始點火，實現發動機無怠速工況；
②汽車較長時間處于停車狀態，如遇紅燈時，控制系統會自動切斷內燃機供油，內燃機停止運行；
③汽車正常行駛時，ISA為發電機工況，向電池充電；
④汽車加速或爬坡時，ISA工作在電動機工況，為發動機提供輔助推進動力，使發動機工作在高效區，提高了效率，降低了燃油消耗6）已經具備一定的研究基礎：
早在20世紀90年代，德國便成立車載電源論壇，成員有大眾、奧迪、寶馬、歐寶和保時捷等汽車公司。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院電發起組織了MIT/7.業聯盟，成員包括通用、戴姆勒一奔馳、寶馬、雷諾、西門子、博世、摩托羅拉、德爾福等知名汽車商、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電器與電子設備的影響及實現方法。美國汽車工程學會（SAE）也專門成立了雙/高電壓車輛電子系統委員會。
目前，42V電氣系統結構已經得到了國際汽車工業界的認可，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力車Explorer。
2 運行模式
在新的電氣系統中，有兩種實施方案：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品技術改造的范圍太廣，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雙電壓系統的方案，正被越來越多的人所關注。
雙電壓系統對現有汽車零部件商的沖擊較小，因此汽車業傾向于這種方案。如圖3所示的雙電壓系統，需要有一個DC/DC轉換器將42V電壓轉換成l4V電壓，因而需要2個蓄電池（12V和36V）。
而只有當大量的部件都適應42V車用電源的時候，才能大批量生產純42V的車用電源。
雙電壓系統將汽車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、電動雨刷等采用14V電源供電；而大功率用電器如發動機控制單元、加熱、電動懸架等電器則直接采用42V的電源供電。交流發電機經整流調壓后得到42V電壓供給高功率負載并對36V蓄電池充電，而42V電壓經DC/DC變換器之后為l4V電氣系統供電。
3 稀土永磁發電機的設計
12V提升到42V供電系統的轉變給汽車電器元件也帶來了較大變革，如新型葺電池、啟動機、發電機等。42V汽車電源系統主要有42V發電機、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行開發。
當前主要有3種發電機可供選擇：
1）永磁發電機。
永磁電機具有很高的能量轉化效率和可靠性。
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2）有刷硅整流發電機。
目前汽車使用的大部分是有刷硅整流發電機，但是該機帶有碳刷滑環裝置，碳刷容易磨損，壽命短，故障率高。
3）無刷硅整流發電機。
它維護簡便，可靠性高，但該機增加了磁場氣隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。
目前稀土永磁材料已經具備了較高的性價比，現代電力電子技術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單、發電效率高、壽命長的42V稀土永磁發電機具有較高的研究價值和廣闊的推廣前景。
設計的釹鐵硼永磁發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電路組成。當發電機輸出電壓低于目標穩壓值時，電子穩壓器為三相整流輸出。當發電機輸出電壓高于目標穩壓值時，電壓信號取樣電路自動使三相半控橋整流電路瞬時斷開，降低輸出電醫當發電機輸出電壓再低于目標穩壓值時，三相半控橋整流電路再恢復工作，周而復始。通過整流、斬波，保證了發電機輸出電壓穩定的直流電。
4 性能試驗
42v永磁發電機采用12極有極靴星形轉子式三相永磁同步發電機，發電機額定電壓，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電機從低速到高速進行性能試驗，試驗結果如表2所示。
從表2中看出，當發電機轉速由2000r/min變化到4800r/min時，負載功率由2800W變化到3200W時，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）目前汽車電源系統由14V電源向42V電源發展已經是必然的趨勢，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）作為過渡階段，對42V/14V雙電壓系統的研究將會是汽車界最近時期的一個研發熱點。
3）42V汽車供電系統標準的實施，將對汽車電器與電子設備帶來巨大的沖擊，同時也會給整個汽車界帶來新一輪的技術革命。
