汽車高電壓直流電系統(tǒng)

1、汽車高電壓直流流電系統(tǒng)2007年8月月3日 111:13 汽車上使用的是直流電系統(tǒng)，用電設(shè)備以蓄電池儲存電能或發(fā)電機發(fā)出交流電再整流為直流電工作。柴油機動力汽車一般使用24V蓄電池，汽油機汽車一般使用12V蓄電池。從直流電功率計算公式P=IU可知，在現(xiàn)有蓄電池或發(fā)電機直流供電系統(tǒng)中，當供電電壓是12V額定電壓時，要想為大功率用電設(shè)備或裝置提供電能，必須大大提高蓄電池輸出電流或大幅度增加交流發(fā)電機的輸出電流。低電壓大電流輸出會極大地傷害蓄電池，降低蓄電池的使用壽命甚至報廢蓄電池，低電壓大電流輸出會降低爪極式交流發(fā)電機的效率。為了降低直流輸電線路上的電阻熱損耗，導(dǎo)線的截面積將增加幾倍，這樣不僅增加

2、了整車裝備的質(zhì)量，而且對發(fā)動機機艙和車廂內(nèi)的空間布置也會帶來困難。由此可見，隨著汽車電子電器系統(tǒng)大量使用帶來的用電功率的大幅度提高，現(xiàn)有的12V汽車直流電供電系統(tǒng)很難滿足要求。提高蓄電池電壓和提高交流發(fā)電機輸出電壓以滿足汽車電子電器用電功率提高的需要，是現(xiàn)代汽車直流供電系統(tǒng)的一個解決辦法。1將汽油機汽車的發(fā)電電壓標準由14V提高到42V汽車電子電器元件在汽車上應(yīng)用的日益增加，使汽車原有的電能供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重不足。20世紀80年代以來，隨著人們對汽車乘坐舒適性、燃油經(jīng)濟性及環(huán)境保護對降低汽車有害物排放的要求越來越高，以及汽車上的新裝置和新技術(shù)不斷增多，汽車的電能耗量不斷增加。由于電控系統(tǒng)控制靈活

3、，電能傳輸和轉(zhuǎn)換簡便容易，采用電磁或電動執(zhí)行器取代液壓傳動和氣壓傳動執(zhí)行器已成為汽車電控系統(tǒng)的一種趨勢。帶電控的機械系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閹C械的電子系統(tǒng)，將使電能負荷大大增加。以美國雷諾汽車公司為例，1980年以來，汽車電子電器系統(tǒng)的電能消耗量以每年大約4的幅度增加，汽車用交流發(fā)電機的輸出功率從原來的幾百瓦增加到約1.5kW。圖1是汽車用交流發(fā)電機平均峰值功率增長圖。當時預(yù)測的2005年豪華轎車的電子電器裝置用電功率見表1，夏天汽車用電功率將超過2kW。燃油價格的不斷高漲，迫使優(yōu)先考慮改進汽車效率來降低燃油消耗、延長礦物類燃料的使用時間等。同時，將汽油機汽車的發(fā)電系統(tǒng)電壓標準由14V提高到42V，在

4、滿足汽車用電功率需求的同時，獲得更高的汽車經(jīng)濟性能。2.14V變42V的解決措施汽油機汽車采用12V直流供電電壓已有30多年歷史，12V電壓對改善汽車起動性能和提高汽車電器效率起到了一定作用。在功率一定的條件下，將供電直流電壓提高，則供電電流將減小，從而可大大減小輸電電纜、交流發(fā)電機和直流電動機、電磁線圈等電器零部件的尺寸和質(zhì)量。提高直流電壓，還可以使汽車新技術(shù)如發(fā)動機電子控制氣閥、飛輪內(nèi)裝起動機和發(fā)電機的一體化，以及電子控制電動制動器、電子控制電動轉(zhuǎn)向系等在汽車上更方便的應(yīng)用，而汽車裝備質(zhì)量不會明顯增加，汽車運行效率得以提高。 在現(xiàn)有技術(shù)和生產(chǎn)工藝下，如果交流發(fā)電機輸出電壓為14V，輸出功率

5、為2kW，若將輸出電壓提高到28V，則輸出功率可翻番至4kW左右。當輸出電壓再增加到42V時，其輸出功率就可增大至6kW，甚至更高。如輸出電壓超過60V，汽車用電安全性將大大降低，系統(tǒng)漏電將造成人身傷亡事故。因此，為了避免觸電，輸電導(dǎo)線和插接器的絕緣材料和絕緣性能要求更高，從而引發(fā)一系列問題出現(xiàn)，因此輸出電壓確定為42V是安全合理的。在目前大部分汽車仍在使用12V直流設(shè)備的情況下，提出了14V42V過渡型電氣系統(tǒng)和42V終結(jié)型電氣系統(tǒng)兩種類型的解決方案。(1) 14V42V過渡型電氣系統(tǒng)1) 14V42V過渡型電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案14V42V過渡型電氣系統(tǒng)由大功率起動機和發(fā)電機、DCDC轉(zhuǎn)換

6、器、36V吸液性玻璃纖維(AGM)鉛酸蓄電池和最新型12V鋰聚合物蓄電池等組成，圖1219是這種電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種系統(tǒng)的特點是按電子電器設(shè)備的消耗功率，將用電裝置分成為42V供電系統(tǒng)組和14V供電系統(tǒng)組兩組。排氣三元催化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、擋風玻璃加熱裝置、發(fā)動機電動冷卻風扇、電控懸架系統(tǒng)和電磁閥驅(qū)動電路等，采用42V供電系統(tǒng)，可大幅度降低負載電流，減小用電裝置體積，容易實現(xiàn)高集成度的小型化電子元器件。傳統(tǒng)汽車照明系統(tǒng)，過高電壓會對采用燈絲型燈光系統(tǒng)造成不利影響，而保持14V供電系統(tǒng)。汽車信號裝置、汽車儀表、電動車窗及中控門鎖、發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)和電子點火系統(tǒng)等，保持14V供電系統(tǒng)，就可以充

7、分利用現(xiàn)有的制造工藝和技術(shù)，降低電子元器件成本，為逐漸穩(wěn)定地向42V系統(tǒng)過渡打下基礎(chǔ)。德爾福汽車公司在1999年9月的德國法蘭克福國際汽車展中展出了1442V過渡型電氣系統(tǒng)設(shè)計方案。圖12-20是1442V過渡型電氣系統(tǒng)的幾種設(shè)計方案。2) 14V42V過渡型電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)14V42V過渡型電氣系統(tǒng)中需要36V和12V兩組蓄電池，導(dǎo)致汽車整備質(zhì)量增加和安裝空間緊張，因此應(yīng)研制體積小、質(zhì)量輕和能量密度高的組合高性能蓄電池來滿足雙路電壓輸出的需要。DCDC轉(zhuǎn)換器以脈寬調(diào)制方式，工作在很高的頻率(工作頻率通常為1520kHz)，因此必須對有源濾波技術(shù)及電磁干擾控制技術(shù)進行深入研究。同時，整流一逆

8、變功率轉(zhuǎn)換器功率雙向流動對DCDC轉(zhuǎn)換器的影響也不能忽視。電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象對功率半導(dǎo)體器件耐壓的影響和控制及瞬態(tài)現(xiàn)象對14v42V電壓技術(shù)規(guī)范的兼容性有待研究解決。為了確定交流發(fā)電機和蓄電池等關(guān)鍵器件的容量，需計算和研究14V42V過渡型電氣系統(tǒng)在汽車運行時的功率流向與分配。對以DCDC轉(zhuǎn)換器為核心的14V42V過渡型電氣系統(tǒng)的總線能量，要實行多路遠程開關(guān)技術(shù)控制等方式的有效管理，使系統(tǒng)電能分配在汽車運行時，始終處于最佳狀態(tài)。(2) 42V終結(jié)型電氣系統(tǒng)1) 42v終結(jié)型電氣系統(tǒng)的實現(xiàn)難點以42V直流電壓工作的電氣系統(tǒng)效率更高、控制系統(tǒng)更簡單和僅需配置一組同等電壓的蓄電池，但目前生產(chǎn)工

9、藝實現(xiàn)起來較困難，產(chǎn)品價格也不容易為人們所接受。以現(xiàn)有的電控執(zhí)行器電動機為例，要保持6000rmin的轉(zhuǎn)速，當電源電壓從12V增加到36V后，理論上電動機定子導(dǎo)線線徑只需要將原來線徑的13或?qū)⒗@組匝數(shù)增加為原來的3倍。若繞組導(dǎo)線線徑太細，則現(xiàn)有生產(chǎn)工藝很難制造，且電動機工作可靠性能會下降。若繞組匝數(shù)增加，則電動機體積過大，這與汽車電子電器設(shè)備小型化、輕量化發(fā)展方向相矛盾。若使用更好的材料和可靠絕緣，雖然能滿足制造工藝和工作可靠性要求，但會使制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品成本增加，難以普及2) 42V終終結(jié)型電氣系系統(tǒng)的關(guān)鍵技技術(shù)與12VV42V過過渡型電氣系系統(tǒng)一樣，為為了確定交流流發(fā)電機和蓄蓄電池等關(guān)鍵

10、鍵器件的容量量，要計算和和研究42VV終結(jié)型電氣氣系統(tǒng)在汽車車運行時的功功率流向與分分配。電氣系系統(tǒng)中的交流流發(fā)電機具有有較大的輸出出功率和可逆逆性，通過配配置半導(dǎo)體整整流一逆變功功率轉(zhuǎn)換器，可可將交流發(fā)電電機和起動電電動機合成為為一個起動發(fā)電復(fù)合裝裝置。當汽車車起動時，起起動發(fā)電復(fù)復(fù)合裝置按起起動電動機工工作。此時，336V蓄電池池通過整流一一逆變功率轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器向起動動發(fā)電復(fù)合合裝置供電。當當汽車正常運運行時，起動動發(fā)電復(fù)合合裝置按發(fā)電電機工作。復(fù)復(fù)合裝置發(fā)出出的42V電電能經(jīng)整流一一逆變功率轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器整流后后，向36VV蓄電池充電電和向其他用用電設(shè)備供電電。起動發(fā)發(fā)電復(fù)合裝置置按發(fā)電機工工作時

11、，還可可根據(jù)需要輸輸出不同的發(fā)發(fā)電電壓。這這種起動發(fā)發(fā)電復(fù)合裝置置目前已經(jīng)開開發(fā)出了感應(yīng)應(yīng)式、永磁式式和開關(guān)磁阻阻式等幾種形形式。起動發(fā)電復(fù)合裝裝置不僅對燃燃油汽車，而而且對電動汽汽車和混合動動力汽車都具具有重要的意意義。該裝置置集起動機和和發(fā)電機于一一身，要求具具備減振、制制動能量回收收和輔助驅(qū)動動等功能，因因而制造成本本高、價格昂昂貴。只有當當與之相聯(lián)系系的其他配套套系統(tǒng)投入使使用后，起動動發(fā)電復(fù)合合裝置才能更更好地發(fā)揮作作用。當電子子電器系統(tǒng)中中有12V和和36V兩種種電源需要時時，42V單單電壓交流發(fā)發(fā)電機必須配配備DCDDC轉(zhuǎn)換器，如如圖12-220(a)、(c)所示。DDCDC轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

12、換器用一組組IGBT功功率晶體管按按脈寬調(diào)制器器PWM方式式工作，通過過調(diào)整矩形波波電壓的占空空比來改變輸輸出電壓的平平均值，從而而得到理想的的兩種需求電電壓。3442V電氣系系統(tǒng)對未來汽汽車的影響442V電氣系系統(tǒng)的應(yīng)用，將將使汽車整車車和零部件的的設(shè)計理念產(chǎn)產(chǎn)生重大變革革。傳統(tǒng)汽車車的一些零部部件甚至總成成將被淘汰，另另一些零部件件要進行優(yōu)化化設(shè)計，并且且還要研究開開發(fā)出一批適適用于新電源源系統(tǒng)的零部部件。(1) 對汽車整整車的影響有有了足夠功率率的電源，汽汽車電子導(dǎo)航航系統(tǒng)、全球球衛(wèi)星定位系系統(tǒng)、車載計計算機系統(tǒng)、電電動動力轉(zhuǎn)向向、電子制動動、電子伺服服制動、電動動水泵、電動動窿椅、電加

13、加熱座椅及電電加熱三元催催化轉(zhuǎn)化器等等技術(shù)在汽車車上都將有用用武之地，汽汽車也將向智智能化汽車方方向發(fā)展。(2) 對汽汽車發(fā)動機的的影響電控氣氣門配氣相位位和電磁閥技技術(shù)的應(yīng)用，使使發(fā)動機可取取消傳統(tǒng)的凸凸輪軸、氣門門挺柱挺桿、氣氣門搖臂及軸軸、液力挺桿桿及正時齒輪輪等部件，使使發(fā)動機結(jié)構(gòu)構(gòu)簡化，質(zhì)量量更輕，體積積更小，而發(fā)發(fā)動機效率得得到提高。(3) 對電電動機及電磁磁閥的影響使使用36V電電源，配合更更好的定子繞繞組和電磁線線圈材料，將將使汽車電控控系統(tǒng)執(zhí)行部部分的電動機機和電磁閥的的整體質(zhì)量降降低20左左右。體積小小、質(zhì)量輕的的電動機將使使車門減薄，座座椅周圍空間間增大，汽車車乘坐更加寬

14、寬敞舒適。(4) 對照照明系統(tǒng)的影影響系統(tǒng)電壓壓提高后，現(xiàn)現(xiàn)在的照明裝裝置均不能采采用。前照燈燈必須采用高高強度放電燈燈，并配備功功能可靠的防防眩目裝置。其其他燈具也將將采用氖氣燈燈，以延長使使用壽命。(5) 對電電氣開關(guān)和連連接器件的影影響42V電電壓引起的電電氣開關(guān)接觸觸瞬間的電磁磁輻射要盡量量降低。傳統(tǒng)統(tǒng)機械式的繼繼電器、斷電電保護器、調(diào)調(diào)節(jié)器因產(chǎn)生生電磁輻射，將將被淘汰。大大量的功率半半導(dǎo)體器件使使熔斷絲式的的保護電路被被廢除。具有有自診斷功能能和電路保護護能力的多路路傳輸控制系系統(tǒng)將被廣泛泛采用。442V電氣氣系統(tǒng)現(xiàn)狀從從20世紀990年代中期期開始，一些些國際性和區(qū)區(qū)域性聯(lián)合研研究

15、機構(gòu)，開開始專門研究究和制定汽車車用42V直直流供電標準準和電氣系統(tǒng)統(tǒng)問題。德國國汽車制造商商戴姆勒-奔奔馳公司和零零部件供應(yīng)商商SICANN發(fā)起組織的的車用電源論論壇，參加的的汽車公司有有奧迪、寶馬馬、大眾、保保時捷等。美美國福特汽車車公司與麻省省理工學(xué)院(MIT)發(fā)發(fā)起組織的MMIT工業(yè)業(yè)聯(lián)盟車用電電源論壇，參參加的汽車公公司有通用、戴戴姆勒-奔馳馳、寶馬、歐歐寶、雷諾、富富豪、西門子子、博世、摩摩托羅拉、德德爾福、AMMP等國際汽汽車制造商、零零部件制造商商、半導(dǎo)體器器件制造商及及自動化裝置置制造商等。后后一組織在11998年110月的美國國底特律會議議上就一致贊贊成研制開發(fā)發(fā)42V汽車車用蓄電池。為為了推動這一一新