汽车42V电源系统的技术现状及发展趋势.pdf

第 1 9卷 第 6 期 2 0 0 5年 1 1 月 山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J o u r n a l o f S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y(S c i Te c h)Vol _ 1 9 NO 6 No v20 05 文章编号：1 6 7 2 6 1 9 7(2 0 0 5)0 6 0 1 0 7 0 4 汽车 4 2 V 电源系统的技术现状及发展趋势 曲金玉，任 国军，杨久青。(1 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 2 5 5 0 4 9；2 东营技术学院，山东 东营 2 5 7 0 9 7)摘 要：介绍 了汽车 4 2 V 电源系统的应用发展状况，指 出从 1 4 V 电源系统到 4 2 V 电源系统的 转换是当今汽车技术发展 的一个重要趋势，分析 了4 2 V 电源系统的系统结构设计 问题，并讨 论 了这些问题的解决方案 关键词：4 2 V；汽车；电源 系统 中图分 类号：U2 7 O 3 8 文 献标 识码：A Te c h ni c a l s t a t u s a nd de v e l o pm e n t t r e n ds o f t he a u t o mo t i v e 4 2 V p o we r s y s t e ms QU J i n y u ，R E N Gu o j u n ，YANG J i u q i n g。(1 _ S c h o o l o f Tr a n s p o r t a n d Ve h i c l e En g i n e e r i n g，S ha n d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y Z i b o 2 5 5 0 4 9，Ch i n a；2 Do n g y i n g Te c h n i c a l S c h o o l，Do n g y i n g 2 5 7 0 9 7，C h i n a)Ab s t r a c t：Tr a ns i t i on f r o m t he 42 V p o we r s y s t e m t o t he 1 4 V po we r s ys t e m i s a n i mpo r t a n t t r e n d i n t h e de v e l op m e nt o f a u t o mot i ve t e c h no l o gy t o da y The d e v e l o p m e n t o f t he 4 2 V e l e c t r i c p o we r s ys t e m f o r ve h i c l e a pp l i c a t i on s i s i n t r o du c e d The s y s t e m a r c h i t e c t u r e pr o bl e m s a s s oc i a t e d wi t h t he 42 V e l e c t r i c p owe r s y s t e m a r e a n al y z e d，S ol ut i on s t o t he s e pr ob l e ms a r e a l s o d i s c us s e d Ke y wo r d s：4 2V；a ut o m o bi l e；e l e c t r i c a l p owe r s y s t e m 目前汽车上普遍采用的 1 4 V 电源系统已有近 5 O年的历史，随着汽车电器设备与电子控制技术的 广泛应用，现有的电源系统已难以满足对更高电功率的需求 为解决这一 问题，应采用具有更高工作电 压的电源系统 考虑到安全、费用及其他各种复杂的因素，4 2 V电源技术是一个理想选择 1 4 2 V 汽车 电源系统概述 1 1 4 2 V 电源系统 的 由来 1 4 V的电源系统最 多只能提供 3 5 k W的功率 未来 1 0 年 内，汽车用 电设备 的总功 率将达 到 收稿 日期：2 0 0 5 一o 3一 O 2 作者简介：曲金 玉(1 9 6 1 一)，男，副教授，硕士生导师 维普资讯 http:/ 1 0 8 山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)5 k W 以上，如果仍沿用传统的 1 4 V电源系统，正常工作电流将达到 2 0 0 3 0 0 A，这会使整车线束和电器 部件的成本大幅度提高 将汽车电压升级到 4 2 V可 以解决这一矛盾 选择 4 2 V作为升级 电压是基于以 下 两个方 面 的考虑：1)人体所能接触的安全电压的上限是直流 6 0 V，采用 4 2 V电压(考虑到电压波动的裕量)可以免去 额外的绝缘设计，从而降低成本 2)从理论上讲，传输 同样 的功率，4 2 V系统的电流只有 1 4 V系统的三分之一，这样就降低了电机及 电力元件的电流负荷，也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的近九分之一，并且可以减小导线截 面积以降低重量 早在 2 0世纪 9 0年代，德 国便成立了车载电源论坛，成员有大众、奥迪、宝马、欧宝 和保时捷等汽车 公司，该机构主要从事 4 2 V 电源供 电规范 的标准化研究，提出了 1 4 V 4 2 V双 电压供 电系统的规范草 案 另外，福特公司与麻省理工学院也发起组织 了 MI T 工业联盟，成员包括通用、戴姆勒 一奔驰、宝马、雷诺、沃尔沃、西门子、博世、摩托罗拉、德尔福等知名汽车商、零部件商及 电子电讯商，该组织主要是研 究 1 4 V 4 2 V双电压供 电系统对汽车电器与电子设备 的影响及实现方法 为推动这一工作发展，美 国汽 车工程学会(S AE)还专 门成立了双 高电压车辆 电子系统委员会 目前，4 2 V电气系统结构已经得到了国际汽车工业界的认 可，并已在一些车辆上被采用，如沃尔沃 公司的$8 0和福特公 司的混合动力车 E x p l o r e r 1 2 4 2 V 电源系统的优点 1)采用 4 2 V 电源系统提高了电源 的功率，使大量高新技术在汽车上的广泛应用成为可能 2)采用 4 2 V 电源系统为车辆 的结构改进提供 了更大的可能性 例如，发动机的一些附件可以直接 由新的电源系统驱动，从而减少了空转消耗，提高了能源利用效率；这些部 件也可 以从发动机中分离出 来，减少发动机的部件数量，改善设计，提高发动机 的效率；对于电动制动系统，由电源直接驱动，可以省 去液压或气压 系统，带来更好的驾驶舒适性和更好 的燃油经济性 3)采用 4 2 V 电源系统为发展混和动力车创造了条件 采用 4 2 V 电源后，可以实现在低速行驶 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 口等待信号时可以方便地切断电源，避免了怠速 工 况，减 少 了汽 车 的排 放 污染 2 双电压(4 2 V1 4 V)方案 4 2 V电源完全取代 1 4 V 电源还需要走过一个较长的历史过程，因为只有当所有汽车零部件制造发 展到 4 2 V时，这种单电压电源系统才能被 引入 为完成 这个过渡，许 多厂家主张采 用一种“双元 电源”技术 2 1 1 4 V 4 2 V 双 电压方 案 的 内容 在双电压技术方案里，1 4 V电源和 4 2 V 电源可以并存使用，其 中 1 4 V 电源向功率较低的用 电装置(例如 照 明灯、仪 表、发 动机 电 子控制 等)供 电，4 2 V 电源 向较 大功率 电器装 置(平均 功率在 4 0 0 1 0 0 0 W)供电，这些装置包括三元催化转换加热器、挡风玻璃加热器、电气悬架等 1 4 V 4 2 V双电压变换过程如下：交流发 电机输出 4 2 V高电压，借助一个 DC D C变换器(直流变换 器)，由 4 2 V变换 1 4 V 在这个 系统 中，D C D C变换器将供电系统分隔为两个具有不 同电压等级的供 电 系统，除降压外，它还在整个电气系统 电能分配管理 中起到重要作用 图 1是汽车双电压供电方案的系 统结构图 2 1 双 电压供 电 系统存 在 的 问题 由于两种不同电压的电源是完全分开的，它们各 自需要一个 蓄电池组，因而增加 了车辆 附加承载，占用了更大空间并增加了造价 维普资讯 http:/ 第 6 期 曲金玉，等：汽车 4 2 V 电源系统的技术现状及发展趋势 1 0 9 4 2 V 直 流总线 1 4 V 直流总线 BI：3 6 V储 能系 统 B2：I 2 Vf 能系 统 图 1 1 4 V 4 2 V双电压 电源 系统结构 另外，D C D C变换器产生的电磁干扰、高 电压瞬态现象及抑制控制方法、双电压电器系统在车辆运 行时的功率流向及分配问题等也是实 际应用中需要解决的问题 3 4 2 V单电压方案 4 2 V单电源系统的应用将影响整个汽车电器系统的结构及特性，这主要包括三个方面的内容，即汽 车电源、用电设备和配电系统 3 1 汽车 电源 汽车电源包括蓄电池和发电机 开发高能蓄电池是 4 2 V电源技术的一个重要组成部分，而应用交 流发电机输出 4 2 V的高 电压更是现在多数汽车生产厂家研发 4 2 V电源技术的切人点 当前主要有 3种 发电机可供选择：1)永磁 电机 永磁 电机具有很高的能量转化效率和扭矩，但是永磁材料昂贵，其造价很高，并且永久 磁铁在高温或短路 的状态下的去磁也是在应用中存在的问题 2)感应电机 它的优点是结构简单，维护简便，控制技术成熟 缺点是体积大，恒功率调速范围窄，而 且起动电流大，对逆变器功率元件要求较高 3)开关磁阻电机 它也能提供较高的效率 和扭矩，且结构简单，相间耦合小，具有优越的高速性 能，但其驱动电路特殊、成本高，还会产生很高的噪声和震动 最终 的电机选择将依赖于功率等级、电机及驱动电路的成本、电机与发动机的耦合方式 以及系统性 能 的全 面考虑 集成式起动机 发电机系统(i n t e g r a t e d s t a r t e r a l t e r n a t o r，I S A)也是 4 2 V电源系统研究 中的一个 热点，这一技术可实现发动机的起一停控制以及通过制动能量再生来进一步提高车辆的燃油经济性 目前德国的 B OS C H公司已经开发出一种曲轴一起动机一发电机综合系统(Ku r b e l we l i e n S t a r t e r G e n e r a t o r e n，即 KS G)，可同时起到起动机、发电机 和飞轮的作用 该系统具有较高 的电功率(额定 电压为 4 2 V 的发电机功率可达 1 4 k W)，能够满足一些大功率装置对电力的需要 3 2 用 电设备 实施 4 2 V汽车电气系统新标准，将会使汽车电器零部件设计和结构发生重大的变革 一些零部件 将需要进行优化设计，一些零部件将会被淘汰，比如现在的连接器、断路器和继电器在 4 2 V系统下未必 可以取得最佳性能 因此，制造商必须重新评估设备与高电压 系统的匹配性，同时还必须对产品的性能 进行全面检测 对于汽车上大量的电控装置，4 2 V电源系统主要影响的是其执行机构(如微型电机、电磁 阀等)在新 的电源系统下，必须对电控装置的执行机构进行改进设计，使其额定电压为 4 2 V，而功率降到 1 W 以下 3 3 配 电系统 图 2所示为 4 2 V汽车电源系统的结构简图 维普资讯 http:/ 1 1 O 山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)动 力 总线 圈 2 4 2 V 单电压电源系统结构 在 4 2 V 电源系统中，采用的是单线多路传输的总线结构 在这种配电网络 中，各个计算机、控制 器是通过数据总线来连接的，一条数据线上传递 的信息可以被多个系统共享，而各个负载都由远程控制 模块来控制 因此，线束 中导线的数量和长度都大为减少 另外，4 2 V 电源系统 中还设有一个能量管理中 心，其主要功能是调节各负载的占空因数 以降低 峰值功率，另外它还负责蓄电池 的管理、负载管理以及 起动机 发电机系统的管理等 4 结束语 汽车电源技术由传统的 1 4 V标准向 4 2 V转化已是汽车工业发展的必然趋势 本文主要介绍 了汽车 4 2 V电源系统的发展情况，总结了其研究现状及成果，并探讨 了用于汽车 4 2 V 电源系统的结构方案 参考文献：1 3 Mi l l e r J M，E ma d i A，R a j a r a t h n a m A V，e t a 1 C u r r e n t s t a t u s a n d f u t u r e t r e n d s i n mo r e e l e c t ri c c a r p o we r s y s t e ms A P r o c 4 9 t h I E E E Ve h i c u l a r t e c h n o l o g y c o n f e r e n c e C Ho u s t o n，T X：I E E E P r e s s，1 9 9 9，(4)：1 6 2 0 E 2 Mu l l e r S，P f a b XC o n s i d e r a t i o n s i mp l e me n t i n g a d u a l v o l t a g e p o we r n e t wo r k A I E E E S AE I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n t r a n s p o r r a t i o n e l e c t r o n i c s C Ne w Y o r k：S o c i e t y o f Au t o mo t i v e E n g i n e e r s，1 9 9 8，(2)：4 1 5 2 3 De n t o n D S Va r i a b l e s h i f t s c h e d u l e c o n t r o l f o r in t e g r a t e d s t a r t e r g e n e r a t o r e q u i p p e d h y b r i d v e h i c l e s A S e s s i o n s a t S AE F u t u r e Tr a n s p o r t a t i o n Te c h n o l o g y C o n f e r e n c e C Ne w Yo r k：S o c i e t y o f Au t o mo t i v e E n g i n e e r s，2 0 0 1，(1 1)：3 9 4 4 4 德国 B OS C H 公司 B OS CH汽车工程手册 M 顾柏 良译 北京：北京理工大学 出版社，2 0 0 4 维普资讯 http:/