汽车42V供电系统的应用与发展论文

【专家解说】：随着消费水平的提高，对于应用广泛的交通工具—轿车的性能也提出了更高的要求。西方汽车制造商为了使自己的汽车更受消费者青睐，纷纷利用尖端电子技术提高汽车的动力性、安全性、舒适性和经济性。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电源提供更高的电能，传统的14V电压供电源系统已经捉襟见肘，为此，一种新型42V电源供电系统即将在汽车上应用。42V电源系统能提供8Kw的动力，对汽车电器提供了较大的发展空间。 一、汽车新型电源的应用是大势所趋 在汽车技术高度发展的今天，汽车电器的容量大幅度增长。近几年来，由于纯电池电动汽车商品化困难重重，电池混合动力汽车作为清洁汽车应运而生。同时，汽车智能化程度的不断提高，新的电气装置在汽车上被不断广泛采用，如各种电控系统(电控喷射、废气再循环电控、增压电控等)、巡航控制、陆地导航、气候即时控制、车载计算机网络等，使汽车电子附件所占的比例大幅提高。这些装置的执行器通常要求较大的功率，相应的耗电量也大大增加，如何提供足够的电力，保证所有电器系统可靠的工作，已成为现代汽车发展的瓶颈。 随着人们对汽车乘坐舒适性、燃油经济性、排放环保性要求的日益提高，汽车上的新装置、新技术不断增多，能耗量不断增加。由于电能具有传输简便、转换容易、控制灵活等一系列优点，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一种趋势。一些带电的机械装置逐步转变为带机械的电子装置，大大增加了电气系统的负荷。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电源提供更高的电能，传统的14V电压供电源系统已经捉襟见肘，为此，一种新型42V电源供电源系统即将在汽车上应用。42V电源系统能提供8KW的动力，对汽车电器提供了较大的发展。采用42V电源的最重要的意义还在于使产品设计人员从过去许多局限性中解脱出来，为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。 20世纪80年代国内轿车的发电机功率一般是500W以下，现在轿车发电机功率达到1000W的很普遍；那时不少轿车还没有空调装置，现在没有空调的轿车反而令人奇怪；以前的轿车驾驶座椅是人工调整，现在多是电动调整；以前的轿车门窗多是手摇开闭的，现在流行电控开闭，等等。过去是高级汽车才有的东西，今天已是现代轿车的一般配置。由于车上自动控制所必需的微型电机数目会不断增加，导致汽车越先进，消耗的申能就会导致汽车越先进，消耗的电能就会越大。如果不改变现行的电压标准，功率增大必然导致电流增大，电流增大必然要加大导线的截面积，换句话说就是要加粗导线，发展下去车上的主线束将粗如手臂，电器件的体积会变大，汽车重量会增加，油耗会增大，有限空间被占用。在现有电气系统的额定电压下，要输出上述大功率，必须大大增加交流发电机输出电流。低电压、大电流输出会降低爪极式交流发电机的效率，并且为了降低线路上的电阻热损耗，导线的截面积将增加几倍，这不仅增加了整车装备的质量，而且对发动机舱和车厢的空间布置带来很多问题。可见现有的14V供电源系统难以满足要求，惟一可行的办法是提高交流发电机电压以增大其输出功率。根据现有的研发技术和生产工艺，在交流发电机额定电压为14V时，其输出功率可达2KW；当额定电压为28V（14×2）时，输出功率可达4KW左右；当额定电压增加为42V(14×3)时，其输出功率可增大至6KW，甚至更高。 二、采用42V汽车电源系统的优势 1、提高发动机效率。采用42V电源后，可以把发动机驱动的附件从发动机中分离出来，由电动机直接驱动，从而进一步减少发动机的部件数量，降低发动机的自重并提高效率，这样可避免附件的空转，提高能源利用效率。 2、减小线束直径。实施42V电压标准后，从理论上讲，电压提高3倍，则线束的直径可降低为原来的60%(而在实践中，考虑到生产小规格线束的工艺性及产品的可靠性，电线不可能太细，因而包括绝缘材料和连接器在内的车用线束在质量和体积上实际上只能减小25%)，可降低成本，方便安装，并可采用较小的车身钻孔，增加汽车行驶平顺性。同时，晶体管电路可以实现具有智能特点的故障自诊断功能和电路保护功能，从而可取消传统的保险丝，使连接器更小、更轻，从而可取消传统的保险丝，使连接器更小、更轻，汽车上的开关将像计算机的键盘一样。 3、电动机和电磁阀重且大大降低。42V电压系统所带来的最大益处是减小了电动机和电磁阀重量。BOSCH公司的专家认为，采用42V电压标准可使新的电动机和电磁阀重量减轻20%，较简单电磁阀的体积和重量都随着电压的增加而成比例减小，较小的电动机则意味着更薄的车门，更宽敞的乘坐空间，甚至增大座椅下的贮存空间。 4、有利于汽车微型化。现代轿车为了实现各种功能，运用了许多电器装置，占用了很大的空间，使车内可用的空间减小。在采用42V电源后，在相同功率下提高了电压值，可减少电器装置的体积、质量和损耗，有利于控制装线圈等。 5、解放设计思路。现在汽车上的电器装置愈来愈多，通过采用电动转向系统、电动制动系统、自动导航系统、电动离合器系统和自动娱乐系统等，提高了控制精度，改善了整车的安全性，带来更好的驾驶舒适性和更好的燃油经济性，同时也提高了汽车的可靠性。由于功率与电压的平方成正比，42V电源技术使这些高新技术在汽车上广泛应用成为可能。对于水泵和油泵并说，可将其改为电力驱动，消除了对发动机的低速拖动扭矩，达到减少燃料消耗的目的，同时也减少了又发动机空间的需求。对于电加热式三效催化转化器可以在原基础上提高加热功率，进一步降低冷气的排放。可以在原基础上提高加热功率，进一步降低冷气的排放。 6、为发展混合动力汽车创造条件。42V电源的采用可以大大提高汽车电源系统的容量，为发展混合动力汽车创造条件。这必将推动混合动力汽车的发展，尤其是对适合城市应用的振合动力汽车的开发具有决定性的影响。在城市交通拥挤的情况下，怠速和超低速行驶，大约占汽车总行驶时间的20%-30%，不但浪费了大量的能源，不但汽车排放的有害物是正常工况下的几十倍。如果采用42V电源系统，可以实现在低速时由电源直接驱动电动机作为汽车的动力源，在交通管制路口等待信号时可方便地切断电源，减少怠速时间，大大降低了城市的环境污染。关键技术是要开发能完成这些功能的电机及相关部件，使之既能起动发动机，又能取代发动机作为动力源，在发动机工作时，还可作为动力源，在发动机工作时还可带动发电机对电源充电。 另外，采用42v电源在技术上还有一些其他的优点，例如对同样功率的电器与14V电源相比电流大为降低，从而减少了功率损耗，减少了导体的截面，节约了材料等。同时42V电源系统还可以为其他需要大电流的设备供电，如尾气后处理装置的加热以及为车辆其他舒适性设备供电。 以上技术措施，不仅不增加汽车的成本，而且可以使汽车能源利用率提高10%以上，同时大大减少汽车的排气污染。 三、42V汽车电源系统的发展走向 报载欧美的汽车制造商与零部件供应商已达成协议，将汽车的供电源系统电压标准由12V提高到42V，不久将开始执行。汽车上采用12V电压已有30年历史，当对改善启动性能，提高电器件效率起了一定作用。但目前己不适应技术发展的需要，从理论上讲电压提高3倍，电流就可减少2/3，因而可以大大减少电缆、电动机、线圈等尺寸及质量。特别是可使一些新技术如电子控制电动气阀机构、飞轮内装启动机发电机一体式结构，以及电子控制电动制动器、转向系统的应用成为可能。同时，可以减轻汽车质量并提高效率。但提高电压对采用灯丝型灯光系统有不利影响。因此有可能在开始阶段，仍保持与42V同存一个时期。 为了解决日益增长的汽车电力供需之间的矛盾，美国通用公司已经研制一种适用于42V的汽车用电源系统，电动汽车EV将首先试行使用这套系统，成为首辆使用42V的汽车。据悉欧洲汽车公司将率先使用42V电源标准，据预测，42V汽车2002年达到4.6万辆，2010年将达到1289万辆。预计实施将从易到难，从小到大铺开，也就是先双电压方案后单电压方案，先豪华汽车后普通汽车，逐步实施，全面实施单电压方案过程约10年。 汽车电源系统的由12V(HV)电源向42V电源发展已是必然趋势，这也像20世纪50年代时，将6V电源升至现行的12V(14V)电源一样不可阻挡。作为过渡阶段，会存在14V/42V双电压系统。双电压电源系统机构可能从2005或2006年起出现在欧洲顶级车型内。大约在相同的时间，美国的一些轻型载货车也可能会装备这些机构。而到2008年大约会有130万辆欧洲车辆采用42V电源系统技术。 14/42V及42v电气系统已得到国际汽车工业界的广泛认可，因此，可以相信这一新的汽车电气系统进入实用化的时间已为期不远。由于该电气系统的固有特点，以功率半导体元器件同微电子器件相结合的控制装置，将在新的电气系统中获得大量应用，这将对传统的汽车电器带来较大的冲击，并对汽车电子、电器零部件的产业结构产生深远影响。目前，我国相关行业已对新的汽车电气系统给予了应有的关注，这一汽车新技术正进入研究起步阶段。 总之，汽车材料技术的发展必须适应新一代汽车产品发展的要求。汽车产品设计者、材料工作者必须予以了解和研究,促进产品开发与应用。