42V汽车电源系统设计方案

中心议题：

• 42V汽车电气系统的优点
• 汽车供电系统的两种方案比较
• 稀土永磁发电机的设计

解决方案：

• 全车42V单一电压方案
• 42V/14V双电压方案

汽车电源的电压从上世纪50年代的6V改为12V，己有50多年的历史。自1990年开始，汽车用电量每年以5％～8％的比例增加，其平均电力负荷的发展历史与趋势见图1。随着汽车技术的不断进步，将会有越来越多的电气及电子系统被应用到汽车上。

20世纪90年代，汽车设计者提出的提高汽车电源电压的构想，很快得到汽车研究者、汽车制造商、零部件制造商的一致认同，并制定了汽车电源42V电压的相关标准。

汽车供电系统由现有的14V标准向42V标准转化已经成为必然发展趋势，并将在未来数年内得到迅速发展，从而导致汽车电器电子产品的一场革命。汽车新供电系统标准的实施，对汽车电子工业的传统产品将带来巨大的冲击。这对于我国来说既是一次挑战，也是一次难得的机遇。我们应在汽车电源改革的过程中，积极参与研发，与国际汽车电器电子产品接轨。

1 42V汽车电气系统优点

1.1 电压安全、易得
根据欧洲的安全法规定人体的安全电压在50V以内，任何超过60V电压的系统，在导线和连接处都要有特殊的绝缘措施，这将增加系统的重量和成本。因此，选择42V电压，就是希望在满足电能需要的同时，能像传统的12V系统一样，即使触碰到电极或金属车体时也不会对人体安全造成威胁。

42V电压值是目前汽车发电机输出电压14V的3倍，其采用的36V蓄电池有利于使用3节传统的12V铅酸蓄电池串联改装组成。

1.2 显着降低汽车线束成本

现代汽车拥有长达2km的导线、2000多个线头和350多个集线器，42V电源系统可大幅度降低这些线束的重量及成本。从理论上讲，传输同样的功率，42V系统的电流只有14V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，并可以减小导线截面积以降低重量。

有了42V电源系统，许多以前看似不切实际或不可能的技术也都变得可行了。在42V电气系统中，线控技术、行驶平顺性控制装置、电子加热式催化器和电磁阀系统、主动悬挂和电动四轮辅助驱动装置都能更有效地使用，为车辆的结构改进提供了更大的可能性（表1）。

使用42V电源系统，发动机的一些长期运转的附件如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等呵直接由新的电源系统驱动，从而减少空转消耗，提高能源利用效率。对于电动制动系统，由电源直接驱动，可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。

1.4 可大幅度提高发电机效率

目前汽车使用的硅整流发电机效率在60c/~以下。硅整流发电机输出电流大，电枢绕组的电流密度达10A/ram，很多能量被励磁绕组、电枢绕组和整流元件消耗掉了。

42V电源系统可在整个发动机转速范围内提供较高的电流输出，电机效率可达到80％以上，目。功率达到8kw以上酉门子VDO产品输出10～15kW，效率可达85％。

1.5 有利于发展混和动力车

采用42V电源后，若没讣启动发电集成装置（ISA），则可实现以下功能：
①在汽车起步时，增强了启动加速性能，在很短时间内（通常为0.1～0.2s）将内燃机加速到超过怠速转速，然后内燃机开始点火，实现发动机无怠速工况；
②汽车较长时间处于停车状态，如遇红灯时，控制系统会自动切断内燃机供油，内燃机停止运行；
③汽车正常行驶时，ISA为发电机工况，向电池充电；
④汽车加速或爬坡时，ISA工作在电动机工况，为发动机提供辅助推进动力，使发动机工作在高效区，提高了效率，降低了燃油消耗6）已经具备一定的研究基础

目前，42V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$80和福特公司的混合动力车Explorer。

2 运行模式

在新的电气系统中，有两种实施方案：一种是全车42V单一电压方案；另一种是42V/14V双电压方案。

2.1 单一电压运行模式

42V电气系统的单一电压方案如图2所示，42V单一电压会对目前的汽车零配件制造商造成大冲击，因此推广有一定困难。

2.2 42V/14V双电压运行模式

由于42V电源系统涉及到的产品技术改造的范围太广，因此反对电压升级的声音也不少，尤其是配件供应商，因为产品改造必将增大他们的成本因此，作为过渡阶段的42V/14V双电压系统的方案，正被越来越多的人所关注。

双电压系统对现有汽车零部件商的冲击较小，因此汽车业倾向于这种方案。如图3所示的双电压系统，需要有一个DC/DC转换器将42V电压转换成l4V电压，因而需要2个蓄电池（12V和36V）。而只有当大量的部件都适应42V车用电源的时候，才能大批量生产纯42V的车用电源。

双电压系统将汽车电器与电控装置根据耗电量的大小分为两组，传统的中小功率用电器为一组，如灯具、仪表、电动雨刷等采用14V电源供电；而大功率用电器如发动机控制单元、加热、电动悬架等电器则直接采用42V的电源供电。交流发电机经整流调压后得到42V电压供给高功率负载并对36V蓄电池充电，而42V电压经DC/DC变换器之后为14V电气系统供电。

3 稀土永磁发电机的设计

12V提升到42V供电系统的转变给汽车电器元件也带来了较大变革，如新型葺电池、启动机、发电机等。42V汽车电源系统主要有42V发电机、36V蓄电池和DC/DC直流交换器组成。36V蓄电池可由三节12V蓄电池串连而成，DC/DC直流交换器也已有许多机构进行开发。

当前主要有3种发电机可供选择：

1）永磁发电机。
永磁电机具有很高的能量转化效率和可靠性。

2）有刷硅整流发电机。
目前汽车使用的大部分是有刷硅整流发电机，但是该机带有碳刷滑环装置，碳刷容易磨损，寿命短，故障率高。

3）无刷硅整流发电机。
无刷硅整流发电机维护简便，可靠性高，但该机增加了磁场气隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。

目前稀土永磁材料已经具备了较高的性价比，现代电力电子技术也为研制出斩波式的电子稳压器奠定了基础。因此，利用稀土永磁材料和现代电力电子元件研制出结构简单、发电效率高、寿命长的42V稀土永磁发电机具有较高的研究价值和广阔的推广前景。

设计的钕铁硼永磁发电装置结构示意图如图4所示，还研制了三相半控桥整流稳压电路（图5）。该电路由三相半控桥整流电路、电压信号取样电路和触发电路组成。当发电机输出电压低于目标稳压值 [p]